EP2189993B1 - Stellvorrichtung, Ventileinrichtung und Betriebsverfahren - Google Patents

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EP2189993B1
EP2189993B1 EP09175582.7A EP09175582A EP2189993B1 EP 2189993 B1 EP2189993 B1 EP 2189993B1 EP 09175582 A EP09175582 A EP 09175582A EP 2189993 B1 EP2189993 B1 EP 2189993B1
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EP
European Patent Office
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armature
sensor
electromagnet
setting device
stator
Prior art date
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EP09175582.7A
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English (en)
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EP2189993A2 (de
EP2189993A3 (de
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Jens Baumbach
René Dingelstadt
Alfred ELSÄSSER
Patric Genieser
Georg Kaltwasser
Martin Helmis
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Priority claimed from DE102008059449A external-priority patent/DE102008059449A1/de
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Publication of EP2189993A3 publication Critical patent/EP2189993A3/de
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    • H01F2007/1894—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings minimizing impact energy on closure of magnetic circuit

Definitions

  • the present invention relates to an adjusting device for adjusting an actuator between two end positions, in particular for controlling a gas flow in an internal combustion engine.
  • the invention also relates to a valve device equipped with such an adjusting device. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a control device.
  • fast switching valves can be used.
  • a fast-switching valve can be arranged upstream of an inlet valve in a fresh gas line which feeds fresh gas to a single cylinder of the internal combustion engine.
  • pressure waves can be generated in the respective fresh gas line, with the aid of which the loading of the respective cylinder can be improved.
  • quick-switching valves other applications are also known.
  • they can be used to control an exhaust gas recirculation rate.
  • the respective fast-switching valve may be arranged for example in an exhaust pipe of the internal combustion engine, downstream of a removal point for recirculating exhaust gas.
  • Short-term, cycled closing of the valve pressure pulses can be used in the exhaust pipe to promote the return of exhaust gas.
  • extremely short switching times for the switching of a closed state associated end position and an open state associated end position are required.
  • the switching times of such fast-switching valves are in the range of switching times of gas exchange valves of the internal combustion engine.
  • a fast-switching valve may at least during an opening phase of an intake valve open and close once. The switching times can be less than 10 ms and in particular in the range between 2 ms and 5 ms.
  • such a valve may be arranged in a common fresh gas line, from which the fresh gas is divided into several cylinders of the internal combustion engine.
  • the valve may be arranged upstream or downstream of a discharge point for recirculating exhaust gas in this common fresh gas line.
  • pressure waves can arise in the fresh gas stream which can be intensified and even generated by means of the fresh gas side, fast-switching valve.
  • the pressure at the point of introduction can be influenced, which can be used to control the exhaust gas recirculation rate.
  • Such a quick-switching valve requires a corresponding, fast-switching actuator (actuator) for actuating the valve or generally for adjusting an actuator between two end positions.
  • actuator actuating actuator
  • an adjusting device comprises, for example, an armature which is pivotably mounted about a pivot axis between two end positions in a stator and which is rotatably connected to the respective actuator, in particular with the valve member or connectable.
  • the adjusting device comprises at least one arranged on or in the stator electromagnet, with the aid of electromagnetic attraction forces can be generated selectively.
  • at least one first stator-side contact surface is provided, against which a first contact surface of the armature rests in the first end position of the armature.
  • At least one second stator-side contact surface is provided, against which a second contact surface of the armature rests in the second end position of the armature.
  • a restoring device may also be provided, which biases the armature in a rest position lying between the end positions, for example in the form of a torsion spring.
  • Such adjusting device is for example from the DE 101 40 706 A1 known.
  • the respective electromagnet serves to hold the armature in the respective end positions on the respective contact surface, which forms a stop defining the end position.
  • the armature can be drive-coupled via a shaft with the respective actuator, in particular with a valve member of a fast-switching valve.
  • the end positions of the armature can therefore be assigned to the open state and the closed state of the valve member.
  • the restoring device which is preferably a spring device, in particular a torsion spring, is tensioned.
  • the restoring force of the spring device drives the armature in the direction of the rest position.
  • the stored in the spring device potential energy is converted into kinetic energy of the armature.
  • the anchor is accelerated.
  • the potential energy of the restoring device is completely converted into kinetic energy of the armature. Accordingly, the armature moves further in the direction of the other end position.
  • the kinetic energy of the armature is converted back into potential energy of the restoring device, whereby the armature is braked.
  • the respective electromagnet assigned to the catching contact surface In order to be able to catch the anchor at the stop assigned to the other end position, that is to say at the other contact surface, the respective electromagnet assigned to the catching contact surface must be energized in time.
  • the energy conversion losses such as heat
  • the anchor should not bounce on the catching stop.
  • the impact velocity of the armature should be as small as possible to the catching stop to keep the wear and noise low.
  • the control or regulation of the respective electromagnet is extremely complex, since contradictory Requirements must be realized.
  • the time periods available for the control process are extremely short, which makes said processes even more difficult.
  • the boundary conditions of the adjusting device may change during operation, in particular in conjunction with an internal combustion engine.
  • the temperature of the adjusting device may change.
  • the restoring device can have a temperature-dependent characteristic, resulting in the temperature-dependent restoring forces and thus temperature-dependent armature speeds.
  • the flow resistance, against which the respective valve member must be moved by means of the armature may vary. Thus, varying actuating forces must be realizable by the adjusting device.
  • the knowledge of which of the two end positions the armature currently occupies is of increased importance in order to be able to correctly perform the control or regulation of the catching electromagnet when changing the end positions.
  • the present invention is concerned with the problem of providing for an adjusting device of the type mentioned above or for a valve device equipped therewith or for an associated operating method an improved embodiment, which is characterized in particular by the fact that it controls the power supply of the respective electromagnet simplified, in particular by providing the knowledge of the current anchor position with increased reliability or more precisely.
  • the invention is based on the general idea of integrating a sensor system into the adjusting device, with the aid of which at least one parameter of a magnetic field can be measured during operation of the adjusting device, this magnetic field being generated by the at least one electromagnet of the adjusting device and at least by this magnetic field such a parameter is measured, which depends on the armature movement or on the armature position.
  • the actuator is equipped with additional sensors that allow a direct measurement of the magnetic field change due to the armature movement.
  • the sensor technology thus works without contact. Since the separate sensor does not have to rely on the induction voltage of the coil of the electromagnet, reduces the computational effort and can lead to increased accuracy of the orientation of the anchor. In addition, there is no interference with the impressed current to the electromagnet.
  • a control device can identify, for example, the actual end position of the armature that the armature currently occupies or in which the armature currently pivots. This makes it possible to dispense with a counter, whereby computing power of a processor of the control device is released.
  • control means evaluate the detected by means of the sensor measurement signals so that thus the desired control of the current and / or voltage supply of the at least one electromagnet is feasible. Since in the here presented adjusting device, the armature position does not have to be determined consuming on the basis of the induction voltage of the coil of the electromagnet, here is the processor of the controller more computing power available. At the same time eliminates the inertia of the coil of the electromagnet, so that the position of the armature can be determined with increased accuracy. The regulation of the power supply of the (catching) electromagnet can be carried out more accurately.
  • the increased precision of the control can be used to reduce the power consumption of the actuator and to improve the acoustics during operation, in particular to reduce noise.
  • it is provided to terminate the control of the current and / or voltage supply of the at least one electromagnet, which is dependent on the measurement signals of the sensor, after a predetermined control time in order subsequently to supply the at least one electromagnet with a constant voltage.
  • the respective sensor system can have at least one leakage flux sensor.
  • a leakage flux sensor can be realized in a particularly simple manner and, in particular, without significant structural change in the armature-stator configuration.
  • Such leakage flux sensors can preferably be used to identify the respective ones However, in principle, it is also possible to use the end position of the armature to determine the armature position between the end positions and thus to control the current of the respective electromagnet.
  • the sensor system may comprise at least one Nutzziersensor which provides significantly more accurate measurements, whereby the determination of the current armature position during the armature movement with increased accuracy is feasible.
  • a useful flow sensor is also suitable for identifying the current anchor end position.
  • Corresponding Fig. 1 comprises a valve device 1, with the aid of which a gas flow 2 can be influenced in a gas path 3, a valve member 4 and an adjusting device 5.
  • the valve member 4 is used to change a permeable cross section 6 of the gas path 3 and is for this purpose about a pivot axis 7 between two end positions pivotally adjustable arranged.
  • the adjusting device 5 serves to adjust the valve member 4 between the end positions.
  • a control device 8 is provided which, via at least one control line 9 with at least one electromagnet 10 of Adjusting device 5 is connected.
  • the control device 8 is coupled via at least one signal line 11 to a sensor 12 of the adjusting device 5.
  • the control device 8 can control the electromagnets 10 as a function of measuring signals of the sensor system 12.
  • at least one knock sensor 98 is provided, which can be connected to the control device 8 in a suitable manner, in particular via a further signal line 11.
  • the respective knock sensor 98 serves for the detection of knocking noises and for this purpose can be arranged in particular on the adjusting device 5. Since the knocking noise propagate relatively far as structure-borne noise, the knock sensor 98 can also be arranged at a different location.
  • the knock sensor 98 may be such a knock sensor 98, which in any case may be present in an internal combustion engine, in particular in a diesel engine, for monitoring the combustion processes.
  • Fig. 2 and 5 comprises such an adjusting device 5, by means of which an actuator, for example the valve member 4, is pivotable between two end positions, an armature 13 which is non-rotatably connected in the respective application with the respective actuator 4.
  • the armature 13 is pivotally mounted about the pivot axis 7 between two end positions in a stator 14 of the adjusting device 5.
  • a rest state is shown, in which the armature 13 occupies a rest position or neutral position, which, in particular in the middle, lies between the two end positions.
  • the adjusting device 5 has - as already to Fig. 1 mentions - at least one electromagnet 10, with the aid of electromagnetic attraction forces can be generated.
  • electromagnets 10 are provided, which act in parallel and, for example, can be arranged distributed uniformly with respect to the pivot axis 7 in the circumferential direction.
  • the respective Electromagnet 10 is arranged in the stator 14 and each includes a working coil 15 which engages around a core 16.
  • the respective core 16 is already a component of the stator 14 here.
  • the stator 14 furthermore comprises a yoke 17, which connects the individual cores 16 to one another. At the same time, the yoke 17 forms a support for the working coils 15.
  • Each electromagnet 10 is assigned a first stator-side contact surface 18 and a second stator-side contact surface 19.
  • the two contact surfaces 18, 19 are in this case formed on the core 16 of the respective electromagnet 10, that is to say on the stator 14.
  • the armature 13 has a first contact surface 20 and a second contact surface 21 for each electromagnet 10. In the first end position of the armature 13, it rests with its first contact surface 20 against the first contact surface 18. In the second end position of the armature 13, it rests with its second contact surface 21 against the second contact surface 19.
  • four first contact surfaces 18 and four second contact surfaces 19 are provided, which cooperate with armature-side four first contact surfaces 20 and four second contact surfaces 21. It is clear that in another construction, a different number of electromagnets 10, contact surfaces 18, 19 and contact surfaces 20, 21 may be provided.
  • the respective adjusting device 5 has a restoring device, not shown here, which is configured such that it biases the armature 13 from each of the two end positions into an intermediate neutral position or rest position.
  • the restoring device is a spring device which, when the armature 13 is moved out of its rest position, is tensioned in order to store kinetic energy.
  • this may be a torsion spring, for example, in an in Fig. 1 shown designed as a hollow shaft shaft 50 which connects the armature 13 with the actuator 4.
  • the sensor 12 is designed such that at least one parameter of a magnetic field generated by the respective electromagnet 10 can be measured during the operation of the adjusting device 5.
  • the sensor 12 measures one of the movement or dependent on the position of the armature 13 parameters. For example, the magnetic flux or the magnetic flux change or the rate of change of the magnetic flux is detected.
  • the measuring signals can be used by the control device 8 to identify the actual end position of the armature 13. Additionally or alternatively, the measurement signals can be used by the control device 8 to carry out a regulation of the current or voltage supply of the at least one electromagnet 10.
  • the sensor system 12 may have at least one leakage flux sensor 22.
  • two such leakage flux sensors 22 are shown.
  • a single leakage flux sensor 22 may be sufficient.
  • the respective leakage flux sensor 22 is arranged in the region of one of the contact surfaces 18 or 19 on the stator 14.
  • the stray flux sensor 22 in one of the electromagnets 10 is arranged in the region of the first contact surface 18, while the other stray flux sensor 22 is arranged in the region of the second contact surface 19.
  • the respective leakage flux sensor 22 is positioned with respect to the pivot axis 7 of the armature 13 axially offset from the respective contact surface 18 and 19 respectively.
  • the respective leakage flux sensor 22 has a yoke body 23 and a measuring coil 24.
  • a common yoke body 23 is provided for both leakage flux sensors 22, which is essentially configured in an E-shaped manner.
  • the respective leakage flux sensor 22 is attached to a carrier 25.
  • the carrier 25 is attached to the stator 14.
  • the carrier 25 also extends in the form of a yoke around the one electromagnet 10 and thereby enables a positioning of the sensor 12 in the stray flux of the two contact surfaces 18, 19 which are formed on the core 16 of this electromagnet 10. It is likewise possible to structurally integrate the stray flux sensors 22 into the electromagnet 10.
  • the stray flux sensors 22 can be structurally integrated into the working coil 15 of this electromagnet 10 or into a coil housing 26, which also carries the working coil 15.
  • the two leakage flux sensors 22 are assigned to the same electromagnet 10.
  • an embodiment is also possible in which the two leakage flux sensors 22 are assigned to different electromagnets 10.
  • An embodiment with more than two leakage flux sensors 22 is also conceivable.
  • the structural integration of the stray flux sensors 22 is comparatively easy to construct, since in particular no change of the stator 14 has to be performed.
  • the sensor system 12 may have at least one useful flow sensor 27.
  • two such Nutzziersensoren 27 are provided.
  • the respective Nutzziersensor 27 is assigned in each case one of the contact surfaces 18, 19 and accordingly arranged in the region of the respective contact surface 18, 19 on the stator 14.
  • the respective Nutz methodsensor 27 with respect to the pivot axis 7 in the same axial section as the respective contact surface 18, 19.
  • the respective Nutz bathsensor 27 has a measuring coil 28, which encloses the associated contact surface 18, 19.
  • two Nutz bathen 27 are provided, the measuring coils 28 each one of the contact surfaces 18, 19 enclose.
  • the Nutz rawsensor 27 has a measuring coil 28, which encloses both contact surfaces 18, 19 and in particular the core 16.
  • the change can be detected, which results in the magnetic flux through the respective contact surface 18, 19 due to the armature movement. If the measuring coil 28 is assigned to only one of the contact surfaces 18, 19, the end position in which the armature is located can be identified. However, two Nutzmannsensoren 27 are preferred, with the help of both the armature movement and the anchor end positions are detectable.
  • the respective Nutzlsensor 27 is structurally integrated here in the core 16 of the electromagnet 10, whereby it is at the same time structurally integrated into the stator 14 in the here presented construction of the stator 14. Furthermore, it is basically possible to constructively integrate the useful flow sensor 27 or its measuring coil 28 into the working coil 10. Likewise, integration into the respective electromagnet 10 is generally conceivable.
  • the bobbin 26th have a complementary configured to the free core tip approach that receives the respective measuring coil 28.
  • the in the Fig. 2 and 5 presented different designs can be realized alternatively.
  • a cumulative realization is conceivable.
  • the current control for the electromagnets 10 can be realized, while using the at least one stray flux sensor 22, the end position detection or side detection of the armature 13 is performed.
  • the different sensors 22, 27 may be arranged on different electromagnets 10.
  • a parallel arrangement of multiple cores 16 is possible, for example, to improve the measurement by averaging and / or to create a redundancy.
  • the armature 13 is configured asymmetrically in order to be able to attract it from the neutral rest position by energizing the electromagnets 10 in a predetermined direction of rotation.
  • This asymmetry is realized here, for example, by means of a field line influencing 96, which here is assigned to the first contact surface 20 in each case.
  • By a special Anschwingprozedur it is achieved that the armature 13 passes from the rest position into the predetermined end position.
  • the useful flow sensor 27 assigned to the first contact surface 18 is positioned so that it takes into account this asymmetry.
  • a corresponding consideration can also be made with the stray flux sensors 22.
  • the actuator 5 is configured in preferred embodiments as a high-speed actuator 5, which is characterized in that it is for pivoting the armature 13 between the two end positions a switching time of less than 10 ms or preferably less than 5 ms is required.
  • Fig. 3 In the following, the side recognition of the armature position with the aid of leakage flux sensors in connection with a conventional current regulation for the electromagnets 10 will be described in more detail:
  • two time profiles are plotted for the induction voltages Us measurable on the measurement coils 24 of the two leakage flux sensors 22, namely firstly a profile 29 for the catching or applying side and a profile 30 for the emitting or releasing side.
  • the lower diagram there is a time course 31 for the rotational position of the armature 13 (indicated is the angle of rotation ⁇ ), a time course 32 of the voltage applied to the coils 15 of the electromagnets 10 and a time curve 33 of the coils 15 of the Electromagnets 10 flowing current i.
  • a holding current is chopped to hold the armature 13 in one of its end positions.
  • the command for switching the armature 13 takes place.
  • the current i is switched off.
  • a negative energization of the coils 15 of the electromagnets 10 is performed.
  • a maximum of the induction voltage U is expected.
  • phase 38 there is no energization.
  • a pure flight phase in which the armature 13 is driven by the restoring force of a corresponding restoring device.
  • energization takes place at an elevated voltage level in order to supply the electromagnet 10 with as much energy as possible in the shortest possible time.
  • the increased voltage is required to overcome the inertia of the coils 15 faster.
  • a capture current is chopped, at a reduced voltage level. The current is monitored here.
  • the supply of the catch current is interrupted if the current regulator can not maintain the level and the current increase drops below a certain value. This termination criterion in the lower diagram in the current profile 33 can be recognized by the fact that the current drops relatively sharply at the end of a rectilinear, essentially constant region.
  • the working coils 15 are switched to freewheel and the armature 13 strikes.
  • phase 42 an increased current level is temporarily impressed to avoid bouncing of the armature 13.
  • phase 34 in which the holding current is chopped, except that the armature is now in the other end position.
  • the measurement voltages of the two leakage flux sensors 22 are observed. It is expected within this observation time that the voltage at the adjacent side when applying the armature 13 rises sharply, while on the releasing side, a reverse voltage waveform is expected.
  • a decision criterion for the identification of the actual present end position for example, the rise of both voltage curves in a predetermined time window 43 can serve. Additionally or alternatively, a distance 44 can be used as the identification criterion, which the two courses 29, 30 have at most from each other. As a result, the end position reached by the armature 13 can be uniquely identified without having to run a counter for this purpose.
  • a fixed period 45 is registered, the for the phase 38 defines a predetermined period of time. This fixed pause time 45 may be based on empirical values and may in particular vary with an adaptive control.
  • Fig. 4 shows in the upper diagram a curve 46 of an induced voltage U s on the applying or catching side, while a curve 47 reproduces the induced voltage U s at the emitting or releasing side.
  • the two courses 46 and 47 come so close that a predetermined voltage gap is reached.
  • the history 47 of the releasing side reaches a minimum.
  • the graph shown below shows a curve 52 for the armature movement (indicated is the angle of rotation ⁇ ) and a profile 53 for the current i for supplying the electromagnets 10 or their working coils 15.
  • a position of the current waveform 53 is marked, in which to start a switching operation, the energization of the electromagnets 10 is turned off.
  • phase 55 indicated by a curly bracket on the abscissa of the lower diagram, the holding current is chopped, so that the armature 13 is held in one of the two end positions.
  • the power supply to the working coils 15 is turned off in accordance with the position 54.
  • the switching process begins.
  • a negative energization of the working coils 15 is performed during a phase 57.
  • phase 58 during which no energization of the electromagnets 10 takes place. It is here
  • This phase 58 ends at the point 48, ie when the distance between the two sensor voltages 46, 47 falls below a predetermined value.
  • phase 58 is terminated and the phase 59 begins in which comparatively much energy is supplied to the system. For this purpose, comparatively much power is supplied at an elevated voltage level. Accordingly, the current waveform 53 in the phase 59 has a relatively steep rise.
  • This phase 59 is also monitored with the leakage flux sensors 22. As soon as in one of the sensors 22, usually at the same time in both sensors 22, the profile 46, 47 of the sensor voltages reaches its maximum, which is the case at position 49, the phase 59 is terminated and a phase 60 begins. During this phase 60, a constant sensor voltage for the profile 46 of the stray side leakage flux sensor 22 is adjusted at a reduced voltage level for the energization of the working coils 15.
  • the value of the abscissa axis is adjusted, which may be zero.
  • This phase 60 is terminated when the measured voltage in the path 47 of the releasing side reaches the minimum 51.
  • This minimum 51 is present when the armature 13 reaches the other end position.
  • the increased current level is again impressed, with the aid of which a bouncing of the armature 13 can be avoided.
  • the supply of the holding current so that again the phase 55 is present.
  • the entire energization of the electromagnets 10 can thus be regulated as a function of the courses 46, 47 of the induced voltage U S at the two leakage flux sensors 22. From these curves 46, 47, the switching times can be read out, to which the phases 58, 59 and 60 end or the phases 59, 60 and 61 begin.
  • Fig. 6 the upper diagram again shows several time courses. Specifically, there are a profile 62 for the application side flow sensor 27 at the beginning of a switching process, a curve 63 of the voltage of the useful flow sensor 27 on the application side in a later region of a switching process, a history 64 of the emitting side flow sensor 27 at the beginning of the switching operation and a history 65 of the releasing side toward the end of the switching operation. Distinct locations are a position 66 at which a parameter determined with the catcher's useful flow sensor 27 reaches a predetermined threshold. Furthermore, a position 67 is marked which represents a minimum in the path 65 of the issuing side.
  • phase 71, 72, 73 are fixed in terms of their length, which in Fig. 6 is indicated by a period 74.
  • This period of time 74 has been determined for example on the basis of experiments. However, it can also be adapted during operation of the adjusting device 5. After expiration of the given Period 74 thus ends the phase 73 and the phase 75 begins.
  • phase 75 At the beginning of phase 75 there is a strong energization of the working coils 15 at an elevated voltage level.
  • this phase 75 begins an integration of the sensor signals at least on the catching side. By integrating the voltage values, the magnetic flux can be determined.
  • Phase 75 ends when location 66 is reached, that is, when a predetermined flow value (threshold) is reached.
  • the electromagnets 10 can be energized so that, for example, a constant flux change on the catching side is adjusted.
  • a constant flux change on the catching side is adjusted.
  • a rectilinear section with low slope recognizable corresponds to a constant flow change.
  • a linearly decreasing or linearly increasing flux change can be adjusted;
  • a parabolic or exponential course for the flow change is conceivable.
  • the course of the flow namely the induced voltage U s at the emitting side according to the course 65 is observed.
  • phase 76 The end of this phase 76 is at the impact of the armature 13 on the contact surfaces 18 and 19, respectively. This is recognized in the example in that the voltage profile 65 at the emitting Nutzziersensor 27 reaches its minimum 67. Once this minimum 67 is present, the phase 76 is terminated and a phase 77 is started in which an increased current level is impressed to avoid bouncing of the armature 13. Subsequently, there is again the phase 70, in which the holding current is chopped. The armature 13 is now in the other end position.
  • Fig. 7 a second alternative for controlling the energization of the electromagnets 10 in the in Fig. 5 shown embodiment of the adjusting device 5 using the Nutz Kunststoffsoren 27 explained in more detail:
  • a plurality of time profiles are again entered, namely a profile 79 of the voltage measured by the catching useful flow sensor 27 at the beginning of a switching process.
  • a graph 80 shows the voltage measured at the beginning of a switching process at the emitting flow sensor 27.
  • a curve 81 indicates the voltage measured at the catching Nutzschsensor 27 voltage towards the end of the switching operation again.
  • a curve 82 shows the voltage curve at the emitting Nutz rawsensor 27 for the end of the switching process again.
  • a predetermined flow value is reached on the accepting side.
  • At position 84 is a minimum in the voltage curve 82 of the donor side.
  • a curly brace indicated phase 87 a holding current is chopped to the armature 13 in the one end position hold.
  • the command for switching the armature 13 from one end position to the other end position takes place. For this purpose, the energization of the working coils 15 is turned off.
  • phase 89 there is again a negative energization of the working coils 15, in order to avoid sticking of the armature 13 or to release the armature 13 from the contact surfaces 18 and 19, respectively, against such adhesion.
  • a free flight phase 90 in which no energization of the electromagnets 10 takes place.
  • a fixed time period 91 is predetermined, which can be determined from experiments and which is particularly adaptable during operation of the adjusting device 5.
  • phase 92 begins.
  • the energization of the working coils 15 is controlled so that the catching Nutzpoundsensor 27 sets a constant curve 81.
  • the energization of the working coils 15 takes place at an elevated voltage level. In order to reduce the flow change again somewhat, the energization of the working coils 15 takes place at a reduced voltage level. In this way, the constant course of the flux change can be adjusted.
  • the flow is integrated until a predetermined maximum value is reached. This threshold is reached at position 83. It terminates the energization by switching between different levels of voltage.
  • the phase 93 starts energizing, in which, to increase the flux change, energization is carried out at the lower voltage level, and in order to reduce the flux change, the energization is switched off, ie the voltage is reduced to zero.
  • phase 93 is terminated as soon as the flow on the releasing side rises again, that is, as soon as the curve 82 reaches its minimum 84. This is the case when the armature 13 at the other end position against the stop running.
  • phase 94 a current level is again impressed into the working coils 15 of the electromagnets 10, which avoids bouncing of the armature 13.
  • the holding current is applied again, so that again the phase 87 is present.
  • the detection or identification of the actual present end position is also here at the beginning of the switching operation by comparing the two voltage curves 79, 80 at the two Nutzmannsensoren 27.
  • the voltage at the emitting Nutz1sensor 27 drops more than at the catching Nutz1sensor 27.
  • Fig. 8 should be explained in more detail for a preferred embodiment, a further possible operating method for the adjusting device 5.
  • the regulation of the voltage or of the current at the respective electromagnet 10 is not carried out over the entire time duration of the respective switching operation as a function of the measured signals measured with the aid of the sensor system 12.
  • the control of the voltage and / or power supply of the respective electromagnet 10 takes place only during a predetermined control time 97.
  • This control period 97 begins at a time at which the armature 13 lifts off from the releasing end position, to which therefore begins its rotational movement.
  • the at least one electromagnet can during the release of the armature 13 or at the beginning of the rotational movement to the end of the current-free flight phase a significant time are detected, to which the start time of the following energization relates.
  • the pronounced minimum 100 can be evaluated in the course 99 of the sensor voltage on the releasing side, which defines the time at which the armature 13 dissolves.
  • the voltage-current regulation of the at least one electromagnet 10 takes place as a function of the measurement signals determined with the aid of the sensor system 12.
  • This regulation takes place, in particular, in a region 103 of the current profile 69 in which, after the free-flight phase, energy is introduced into the at least one electromagnet 10.
  • this regulation of the voltage and / or current supply of the at least one electromagnet 10 is terminated and a constant voltage is applied to the respective electromagnet 10.
  • the control time 97 is dimensioned such that the armature 13 at the end of the control period 97 has not yet reached the other end, ie the catching end position, but has already approached it relatively far.
  • the applied to the respective electromagnet 10 constant voltage is chosen so that it is sufficient for safe capture of the armature 13.
  • the time can be determined at which the armature 13 reaches the catching end position.
  • the voltage profile 101 of the catching side shows a maximum 102.
  • the control device 8 can evaluate measurement signals of the knock sensor 98.
  • the intensity of the knock signals thus determined correlates with the impact velocity of the armature 13.
  • the measurement signals of the sensor 12 can be evaluated on the catching side. In the course 101 of the sensor voltage of the catching side, the voltage increase at the end of the control time 97 to the maximum 102 correlates with the impact velocity of the armature 13. The steeper the voltage rise, the higher the impact velocity.
  • the control device 8 can now adapt an energy input into the at least one electromagnet 10 during the regulation time 97 as a function of the impact velocity of the armature 13.
  • This energy input corresponds to a surface 104 below the current curve 69 in the region 103 and is also referred to below as energy input 104.
  • the energy input 104 is increased during the control time 97 by a predetermined value, which may depend in particular on the distance of the determined impact velocity from the tolerance range, while this is increased by a predetermined value, in particular the distance of the determined Impact speed can depend on the tolerance range, is reduced, if the determined impact velocity is above the tolerance range.
  • the increase or decrease of the energy input 104 can be adjusted in a simple embodiment by lengthening or shortening the control time 97.
  • the adaptation of the energy input 104 is realized by a corresponding adaptation of the control time 97.
  • the frequency during chopping the voltage during the voltage or current control of the at least one electromagnet 10 and / or the slope of the current increase and / or the amount of voltage during the voltage or current control can be varied.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung zum Verstellen eines Stellglieds zwischen zwei Endstellungen, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung bei einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einer solchen Stelleinrichtung ausgestattete Ventileinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Stellvorrichtung.
  • Bei der sogenannten "Impulsaufladung" von Brennkraftmaschinen können schnellschaltende Ventile zum Einsatz kommen. Ein schnellschaltendes Ventil kann hierzu in einer einem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine Frischgas zuführenden Frischgasleitung stromauf eines Einlassventils angeordnet sein. Durch die Ausnutzung strömungsdynamischer Effekte lassen sich in der jeweiligen Frischgasleitung Druckwellen erzeugen, mit deren Hilfe die Beladung des jeweiligen Zylinders verbessert werden kann. Für derartige schnellschaltende Ventile sind außerdem andere Anwendungsgebiete bekannt. Beispielsweise lassen sie sich dazu verwenden, eine Abgasrückführrate zu steuern. Hierzu kann das jeweilige schnellschaltende Ventil beispielsweise in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sein, und zwar stromab einer Entnahmestelle für rückzuführendes Abgas. Durch kurzzeitiges, getaktetes Schließen des Ventils können Druckimpulse in der Abgasleitung dazu verwendet werden, die Rückführung von Abgas zu begünstigen. Hierzu sind extrem kurze Schaltzeiten für das Umschalten von einer einem Schließzustand zugeordneten Endstellung und einer einem Offenzustand zugeordneten Endstellung erforderlich. Die Umschaltzeiten derartiger schnellschaltender Ventile liegen im Bereich der Schaltzeiten von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann ein schnellschaltendes Ventil während einer Öffnungsphase eines Einlassventils zumindest einmal öffnen und schließen. Die Schaltzeiten können dabei kleiner als 10 ms und insbesondere im Bereich zwischen 2 ms und 5 ms liegen. Ebenso kann für die Steuerung der Abgasrückführrate ein derartiges Ventil in einer gemeinsamen Frischgasleitung angeordnet sein, von der aus das Frischgas auf mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine aufgeteilt wird. Dabei kann das Ventil stromauf oder stromab einer Einleitstelle für rückzuführendes Abgas in dieser gemeinsamen Frischgasleitung angeordnet sein. Im Betrieb der Brennkraftmaschine können im Frischgasstrom Druckwellen entstehen, die mit Hilfe des frischgasseitig angeordneten, schnellschaltenden Ventils verstärkt und sogar erzeugt werden können. Hierdurch kann der Druck an der Einleitstelle beeinflusst werden, was sich zur Steuerung der Abgasrückführrate nutzen lässt.
  • Ein derartiges schnellschaltendes Ventil benötigt eine entsprechende, schnellschaltende Stellvorrichtung (Stellantrieb) zur Betätigung des Ventils oder allgemein zum Verstellen eines Stellglieds zwischen zwei Endstellungen. Eine derartige Stellvorrichtung umfasst beispielsweise einen Anker, der um eine Schwenkachse zwischen zwei Endstellungen in einem Stator schwenkverstellbar gelagert ist und der drehfest mit dem jeweiligen Stellglied, insbesondere mit dem Ventilglied, verbunden oder verbindbar ist. Ferner umfasst die Stellvorrichtung zumindest einen am oder im Stator angeordneten Elektromagneten, mit dessen Hilfe elektromagnetische Anziehungskräfte gezielt erzeugt werden können. Ferner ist zumindest eine erste statorseitige Anlagefläche vorgesehen, an welcher eine erste Kontaktfläche des Ankers in der ersten Endstellung des Ankers anliegt. Außerdem ist zumindest eine zweite statorseitige Anlagefläche vorgesehen, an welcher eine zweite Kontaktfläche des Ankers in der zweiten Endstellung des Ankers anliegt. Zweckmäßig kann außerdem eine Rückstelleinrichtung vorgesehen sein, die den Anker in eine zwischen den Endstellungen liegende Ruhestellung vorspannt, zum Beispiel in Form einer Torsionsfeder. Eine derartige Stellvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 40 706 A1 bekannt.
  • Der jeweilige Elektromagnet dient dazu, den Anker in den jeweiligen Endstellungen an der jeweiligen Anlagefläche, die einen die Endstellung definierenden Anschlag bildet, zu halten. Der Anker kann über eine Welle mit dem jeweiligen Stellglied, insbesondere mit einem Ventilglied eines schnellschaltenden Ventils antriebsgekoppelt werden. Die Endstellungen des Ankers lassen sich daher dem Offenzustand und dem Schließzustand des Ventilglieds zuordnen. Wenn der jeweilige Elektromagnet den Anker in der einen Endstellung hält, ist die Rückstelleinrichtung, bei der es sich bevorzugt um eine Federeinrichtung, insbesondere eine Torsionsfeder, handelt, gespannt. Beim Freigeben des Ankers aus der einen Endstellung treibt die Rückstellkraft der Federeinrichtung den Anker in Richtung der Ruhestellung an. Dabei wird die in der Federeinrichtung gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie des Ankers umgewandelt. Mit anderen Worten, der Anker wird beschleunigt. Beim Durchfahren der Ruhestellung ist die potentielle Energie der Rückstelleinrichtung vollständig in kinetische Energie des Ankers umgesetzt. Dementsprechend bewegt sich der Anker weiter in Richtung der anderen Endstellung. Hierbei wird die kinetische Energie des Ankers wieder in potentielle Energie der Rückstelleinrichtung umgewandelt, wodurch der Anker abgebremst wird. Um den Anker an dem der anderen Endstellung zugeordneten Anschlag, also an der anderen Anlagefläche fangen zu können, muss der jeweilige, der fangenden Anlagefläche zugeordnete Elektromagnet rechtzeitig bestromt werden. Mit Hilfe des fangenden Elektromagneten müssen zum einen die Energieumwandlungsverluste, wie zum Beispiel Wärme, ausgeglichen werden. Zum anderen muss mit Hilfe des fangenden Magneten sichergestellt werden, dass der Anker an der fangenden Anlagefläche verbleibt. Ferner soll der Anker am fangenden Anschlag nicht prellen. Außerdem soll die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers am fangenden Anschlag möglichst klein sein, um den Verschleiß und die Geräuschentwicklung gering zu halten. Hierdurch gestaltet sich die Steuerung bzw. Regelung des jeweiligen Elektromagneten extrem komplex, da widersprüchliche Anforderungen realisiert werden müssen. Des Weiteren sind die Zeiträume, die für den Steuerungs- bzw. Regelungsvorgang zur Verfügung stehen, extrem kurz, was besagte Vorgänge zusätzlich erschwert. Hinzu kommt, dass sich die Randbedingungen der Stellvorrichtung im Betrieb, insbesondere in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine, verändern können. Beispielsweise kann sich die Temperatur der Stellvorrichtung verändern. Die Rückstelleinrichtung kann eine temperaturabhängige Kennlinie aufweisen, wodurch sich von der temperaturabhängige Rückstellkräfte und somit temperaturabhängige Ankergeschwindigkeiten ergeben. Ferner kann abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine der Strömungswiderstand, gegen den das jeweilige Ventilglied mit Hilfe des Ankers bewegt werden muss, variieren. Somit müssen von der Stellvorrichtung variierende Stellkräfte realisierbar sein.
  • Um die elektrische Energieversorgung des jeweiligen Elektromagneten, also die Stromzufuhr und Spannungsversorgung des jeweiligen Elektromagneten möglichst genau steuern bzw. regeln zu können, ist es von erhöhter Bedeutung, die Position des Ankers innerhalb seiner Bewegungsbahn möglichst genau zu kennen. Beispielsweise ist es wichtig, den jeweiligen Elektromagneten erst dann zum Erzeugen anziehender Magnetkräfte anzusteuern, wenn der Anker beim Wechseln der Endstellungen seine Ruhestellung überschritten hat. Um die Position des Ankers zu ermitteln, ist es grundsätzlich möglich, den Anker zum Beispiel über eine drehfest mit dem Anker verbundene Welle mit einem Drehsensor zu koppeln. Drehsensoren, die bei den hier erforderlichen kurzen Schaltzeiten hinreichend genaue Messungen ermöglichen, sind jedoch vergleichsweise teuer. Derartige Drehsensoren können außerdem durch die starken Magnetfelder des Ankers gestört werden. Somit sind sie für vorliegende Anwendung ungeeignet. Des Weiteren ist es grundsätzlich möglich, bei einer Spule des fangenden Elektromagneten die durch die Ankerbewegung induzierte Spannung zu messen, um daraus auf die Position des Ankers zu schließen. Die Ankerbewegung verändert das Magnetfeld des fangenden Elektromagneten. Diese Magnetfeldänderung führt zu einer Induktionsspannung an der Spule des fangenden Elektromagneten, so dass daraus die Ankerposition herleitbar ist. Die Induktion erfolgt jedoch stets mit einer gewissen Verzögerung oder Dämpfung, so dass die exakte Ankerposition nur geschätzt werden kann. Außerdem ist die Rechenleistung für eine derartige Lagebestimmung anhand der Induktionsspannung vergleichsweise hoch, so dass eine aufwändige, leistungsstarke und somit teure Elektronik erforderlich ist. Des Weiteren ist für die Stellvorrichtung die Kenntnis, welche der beiden Endstellungen der Anker aktuell einnimmt, von erhöhter Bedeutung, um die Steuerung bzw. Regelung des fangenden Elektromagneten beim Wechseln der Endstellungen korrekt durchführen zu können. Hierzu ist es möglich, mit Hilfe einer entsprechenden Startprozedur ausgehend von der Ruhestellung den Anker in eine vorbestimmte Endstellung zu bringen und von da aus mit Hilfe eines Zählers jeden Schaltvorgang zu zählen, so dass die aktuelle Endlage des Ankers stets bekannt ist, falls die Schaltvorgänge immer ordnungsgemäß funktionieren. Zum einen ist das ordnungsgemäße Umschalten nicht immer gewährleistet. Beispielsweise kann bei ungünstigen Strömungsverhältnissen der Fall eintreten, dass der Anker die andere Endstellung nicht erreicht und aufgrund der vorgespannten Rückstellfeder in die ursprüngliche Endstellung zurückspringt und dort gehalten wird. Eine derartige Fehlfunktion wird vom Zähler nicht erkannt. Zum anderen benötigt auch ein derartiger Zähler Rechenleistung, was die Elektronik belastet.
  • Eine Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bereits aus US 2002/047707 A1 bekannt.
  • Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Ventileinrichtung bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie die Steuerung bzw. Regelung der Energieversorgung des jeweiligen Elektromagneten vereinfacht, indem sie insbesondere die Kenntnis der aktuellen Ankerposition mit erhöhter Zuverlässigkeit bzw. genauer bereitstellt.
  • Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in die Stellvorrichtung eine Sensorik zu integrieren, mit deren Hilfe zumindest ein Parameter eines Magnetfelds während des Betriebs der Stellvorrichtung gemessen werden kann, wobei dieses Magnetfeld vom wenigstens einen Elektromagneten der Stellvorrichtung generiert wird und wobei von diesem Magnetfeld zumindest ein solcher Parameter gemessen wird, der von der Ankerbewegung bzw. von der Ankerposition abhängt. Mit anderen Worten, die Stellvorrichtung wird mit einer zusätzlichen Sensorik ausgestattet, die eine direkte Messung der Magnetfeldänderung aufgrund der Ankerbewegung ermöglicht. Die Sensorik arbeitet somit berührungslos. Da die separate Sensorik nicht auf die Induktionsspannung der Spule des Elektromagneten zurückgreifen muss, reduziert sich der Rechenaufwand und kann zu einer erhöhten Präzision der Lagebestimmung für den Anker führen. Außerdem kommt es zu keiner Überlagerung mit dem eingeprägten Strom an den Elektromagneten.
  • Mit Hilfe der Sensorik kann eine Steuereinrichtung beispielsweise die tatsächliche Endstellung des Ankers identifizieren, die der Anker aktuell einnimmt bzw. in die der Anker aktuell einschwenkt. Hierdurch kann auf einen Zähler verzichtet werden, wodurch Rechenleistung eines Prozessors der Steuereinrichtung freigesetzt wird.
  • Zusätzlich kann eine solche, zur Betätigung des wenigstens einen Elektromagneten vorgesehene Steuereinrichtung die mit Hilfe der Sensorik ermittelten Messsignale so auswerten, dass damit die gewünschte Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten durchführbar ist. Da bei der hier vorgestellten Stellvorrichtung die Ankerposition nicht aufwändig anhand der Induktionsspannung der Spule des Elektromagneten ermittelt werden muss, steht auch hier dem Prozessor der Steuereinrichtung mehr Rechenleistung zur Verfügung. Gleichzeitig entfällt die Trägheit der Spule des Elektromagneten, so dass die Position des Ankers mit erhöhter Genauigkeit ermittelt werden kann. Die Regelung der Energieversorgung des (fangenden) Elektromagneten kann dadurch genauer durchgeführt werden. Die erhöhte Präzision der Regelung kann zur Reduzierung des Stromverbrauchs der Stellvorrichtung sowie zur Verbesserung der Akustik im Betrieb, insbesondere zur Reduzierung von Störgeräuschen, genutzt werden. Außerdem ist vorgesehen, die von den Messsignalen der Sensorik abhängige Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten nach einer vorbestimmten Regelungszeit zu beenden, um den wenigstens einen Elektromagneten anschließend mit einer konstanten Spannung zu versorgen. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten zur Optimierung der Schaltvorgänge. Beispielsweise kann durch Überwachen der erzielbaren Auftreffgeschwindigkeit die Regelungszeit adaptiert werden, um so das Schaltverhalten der Stellvorrichtung hinsichtlich einer minimalen Geräuschentwicklung zu optimieren.
  • Die jeweilige Sensorik kann zumindest einen Streuflusssensor aufweisen. Ein derartiger Streuflusssensor lässt sich besonders einfach und insbesondere ohne wesentliche konstruktive Änderung der Anker-Stator-Konfiguration realisieren. Derartige Streuflusssensoren lassen sich bevorzugt zur Identifizierung der jeweiligen Endposition des Ankers nutzen, können jedoch grundsätzlich auch zur Ermittlung der Ankerposition zwischen den Endstellungen und somit zur Stromregelung des jeweiligen Elektromagneten verwendet werden.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die Sensorik zumindest einen Nutzflusssensor aufweisen, der erheblich genauere Messwerte liefert, wodurch die Ermittlung der aktuellen Ankerposition während der Ankerbewegung mit einer erhöhten Genauigkeit durchführbar ist. Gleichzeitig eignet sich ein derartiger Nutzflusssensor auch zur Identifizierung der aktuellen Ankerendstellung.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch
    • Fig. 1
    eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Ventileinrichtung mit einer Stellvorrichtung,
    Fig. 2
    eine stark vereinfachte, perspektivische Ansicht einer Stellvorrichtung,
    Fig. 3
    Diagramme zur Veranschaulichung einer Seitenerkennung bei der Stellvorrichtung gemäß Fig. 2,
    Fig. 4
    Diagramme zur Veranschaulichung einer Stromregelung bei der Stellvorrichtung gemäß Fig. 2,
    Fig. 5
    eine perspektivische Ansicht der Stellvorrichtung wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
    Fig. 6
    Diagramme zur Veranschaulichung einer Stromregelung und Seitenerkennung bei der Stellvorrichtung gemäß Fig. 5,
    Fig. 7
    Diagramme wie in Fig. 6, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Stromregelung,
    Fig. 8
    Diagramme wie in Fig. 4, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform der Stromregelung.
  • Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Ventileinrichtung 1, mit deren Hilfe eine Gasströmung 2 in einem Gaspfad 3 beeinflusst werden kann, ein Ventilglied 4 und eine Stellvorrichtung 5. Das Ventilglied 4 dient zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts 6 des Gaspfads 3 und ist hierzu um eine Schwenkachse 7 zwischen zwei Endstellungen schwenkverstellbar angeordnet. Die Stellvorrichtung 5 dient zum Verstellen des Ventilglieds 4 zwischen den Endstellungen. Zum Betätigen der Stellvorrichtung 5 ist eine Steuereinrichtung 8 vorgesehen, die über wenigstens eine Steuerleitung 9 mit wenigstens einem Elektromagneten 10 der Stellvorrichtung 5 verbunden ist. Ferner ist die Steuereinrichtung 8 über zumindest eine Signalleitung 11 mit einer Sensorik 12 der Stellvorrichtung 5 gekoppelt. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 8 die Elektromagnete 10 in Abhängigkeit von Messsignalen der Sensorik 12 ansteuern. Im Beispiel der Fig. 1 ist außerdem wenigstens ein Klopfsensor 98 vorgesehen, der auf geeignete Weise, insbesondere über eine weitere Signalleitung 11 mit der Steuereinrichtung 8 verbunden sein kann. Der jeweilige Klopfsensor 98 dient zur Detektion von Klopfgeräuschen und kann hierzu insbesondere an der Stellvorrichtung 5 angeordnet sein. Da sich die Klopfgeräusche als Körperschall relativ weit ausbreiten, kann der Klopfsensor 98 auch an einer anderen Stelle angeordnet sein. Insbesondere kann es sich beim Klopfsensor 98 um einen solchen Klopfsensor 98 handeln, der bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Dieselmotor, ohnehin zur Überwachung der Verbrennungsvorgänge vorhanden sein kann.
  • Entsprechend den Fig. 2 und 5 umfasst eine derartige Stellvorrichtung 5, mit deren Hilfe ein Stellglied, zum Beispiel das Ventilglied 4, zwischen zwei Endstellungen verschwenkbar ist, einen Anker 13, der im jeweiligen Anwendungsfall drehfest mit dem jeweiligen Stellglied 4 verbunden ist. Der Anker 13 ist um die Schwenkachse 7 zwischen zwei Endstellungen in einem Stator 14 der Stellvorrichtung 5 schwenkverstellbar gelagert. In den Fig. 2 und 5 ist dabei jeweils ein Ruhezustand gezeigt, in dem der Anker 13 eine Ruhestellung oder Neutralstellung einnimmt, die, insbesondere mittig, zwischen den beiden Endstellungen liegt.
  • Die Stellvorrichtung 5 weist - wie bereits zu Fig. 1 erwähnt - zumindest einen Elektromagneten 10 auf, mit dessen Hilfe elektromagnetische Anziehungskräfte erzeugt werden können. Im gezeigten Beispiel sind genau vier derartige Elektromagnete 10 vorgesehen, die parallel wirken und z.B. bezüglich der Schwenkachse 7 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sein können. Der jeweilige Elektromagnet 10 ist im Stator 14 angeordnet und umfasst jeweils eine Arbeitsspule 15, die einen Kern 16 umgreift. Der jeweilige Kern 16 ist hier bereits ein Bestandteil des Stators 14. Der Stator 14 umfasst des Weiteren ein Joch 17, das die einzelnen Kerne 16 miteinander verbindet. Gleichzeitig bildet das Joch 17 einen Träger für die Arbeitsspulen 15.
  • Jedem Elektromagnet 10 sind eine erste statorseitige Anlagefläche 18 und eine zweite statorseitige Anlagefläche 19 zugeordnet. Die beiden Anlageflächen 18, 19 sind dabei am Kern 16 des jeweiligen Elektromagneten 10 ausgebildet, also hier am Stator 14. Der Anker 13 weist für jeden Elektromagneten 10 eine erste Kontaktfläche 20 und eine zweite Kontaktfläche 21 auf. In der ersten Endstellung des Ankers 13 liegt er mit seiner ersten Kontaktfläche 20 an der ersten Anlagefläche 18 an. In der zweiten Endstellung des Ankers 13 liegt er mit seiner zweiten Kontaktfläche 21 an der zweiten Anlagefläche 19 an. Im Beispiel sind entsprechend der hier vorgesehenen vier Elektromagnete 10 statorseitig vier erste Anlageflächen 18 und vier zweite Anlageflächen 19 vorgesehen, die mit ankerseitigen vier ersten Kontaktflächen 20 und vier zweiten Kontaktflächen 21 zusammenwirken. Es ist klar, dass bei einer anderen Bauweise auch eine andere Anzahl an Elektromagneten 10, Anlageflächen 18, 19 und Kontaktflächen 20, 21 vorgesehen sein kann.
  • Des Weiteren besitzt die jeweilige Stellvorrichtung 5 eine hier nicht dargestellte Rückstelleinrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie den Anker 13 aus jeder der beiden Endstellungen in eine dazwischen liegende Neutralstellung bzw. Ruhestellung vorspannt. Beispielsweise handelt es sich bei der Rückstelleinrichtung um eine Federeinrichtung, die beim Bewegen des Ankers 13 aus dessen Ruhelage heraus gespannt wird, um kinetische Energie zu speichern. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Torsionsfeder handeln, die z.B. in einer in Fig. 1 dargestellten, als Hohlwelle ausgestalteten Welle 50 verläuft, die den Anker 13 mit dem Stellglied 4 verbindet.
  • Wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 erläutert, umfasst die Stellvorrichtung 5 außerdem eine Sensorik 12. Die Sensorik 12 ist so ausgestaltet, dass damit wenigstens ein Parameter eines vom jeweiligen Elektromagneten 10 erzeugten Magnetfelds gemessen werden kann, und zwar während des Betriebs der Stellvorrichtung 5. Die Sensorik 12 misst dabei einen von der Bewegung bzw. von der Position des Ankers 13 abhängigen Parameter. Beispielsweise wird der magnetische Fluss bzw. die magnetische Flussänderung bzw. die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses detektiert. Die Messsignale können von der Steuereinrichtung 8 zur Identifizierung der tatsächlichen Endstellung des Ankers 13 verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ können die Messsignale von der Steuereinrichtung 8 zur Durchführung einer Regelung der Strom- bzw. Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten 10 verwendet werden. Diese Anwendungsformen werden weiter unten mit Bezug auf die Fig. 3, 4 und 6, 7 näher erläutert. Im Folgenden wird auf bevorzugte Ausführungsformen der Stellvorrichtung 5 näher eingegangen.
  • Entsprechend Fig. 2 kann die Sensorik 12 zumindest einen Streuflusssensor 22 aufweisen. Im gezeigten, bevorzugten Beispiel sind zwei derartige Streuflusssensoren 22 dargestellt. Grundsätzlich kann auch ein einziger Streuflusssensor 22 ausreichen. Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist im Bereich einer der Anlageflächen 18 oder 19 am Stator 14 angeordnet. Im Beispiel ist der eine Streuflusssensor 22 bei einem der Elektromagneten 10 im Bereich der ersten Anlagenfläche 18 angeordnet, während der andere Streuflusssensor 22 im Bereich der zweiten Anlagefläche 19 angeordnet ist. Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist dabei mit Bezug auf die Schwenkachse 7 des Ankers 13 axial versetzt zur jeweiligen Anlagefläche 18 bzw. 19 positioniert. Er misst somit nicht den Fluss, der durch die jeweilige Anlagefläche 18, 19 fließt, sondern einen mit dem Durchfluss korrelierenden Streufluss, der sich außerhalb der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 erstreckt. Durch die Verwendung eines einzelnen Streuflusssensors 22 ist es möglich, eindeutig die vom Anker 13 eingenommene Endstellung zu identifizieren, sogenannte Seitenerkennung. Werden zwei Streuflusssensoren 22 verwendet, kann zusätzlich oder alternativ die Ankerbewegung detektiert werden. Erfasst wird dabei der jeweilige Magnetfeldparameter, der sich durch die Bewegung des Ankers 13 verändert.
  • Der jeweilige Streuflusssensor 22 weist einen Jochkörper 23 sowie eine Messspule 24 auf. Im Beispiel ist ein für beide Streuflusssensoren 22 ein gemeinsamer Jochkörper 23 vorgesehen, der im Wesentlichen E-förmig ausgestaltet ist. Grundsätzlich sind auch zwei separate Streuflusssensoren 22 möglich, die U-förmige Jochkörper 23 besitzen. Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist an einem Träger 25 angebracht. Der Träger 25 ist am Stator 14 befestigt. Der Träger 25 erstreckt sich dabei ebenfalls jochförmig um den einen Elektromagneten 10 herum und ermöglicht dadurch eine Positionierung der Sensorik 12 im Streufluss der beiden Anlageflächen 18, 19, die am Kern 16 dieses Elektromagneten 10 ausgebildet sind. Ebenso ist es möglich, die Streuflusssensoren 22 in den Elektromagneten 10 baulich zu integrieren. Insbesondere können die Streuflusssensoren 22 in die Arbeitsspule 15 dieses Elektromagneten 10 bzw. in ein Spulengehäuse 26 baulich integriert sein, das auch die Arbeitsspule 15 trägt. Zweckmäßig sind die beiden Streuflusssensoren 22 dem gleichen Elektromagneten 10 zugeordnet. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform möglich, bei der die beiden Streuflusssensoren 22 verschiedenen Elektromagneten 10 zugeordnet sind. Auch ist eine Ausführungsform mit mehr als zwei Streuflusssensoren 22 denkbar. Die bauliche Integration der Streuflusssensoren 22 ist konstruktiv vergleichsweise einfach durchführbar, da insbesondere keine Veränderung des Stators 14 durchgeführt werden muss.
  • Entsprechend Fig. 5 kann die Sensorik 12 zumindest einen Nutzflusssensor 27 aufweisen. Im Beispiel sind zwei derartige Nutzflusssensoren 27 vorgesehen. Der jeweilige Nutzflusssensor 27 ist dabei jeweils einer der Anlageflächen 18, 19 zugeordnet und dementsprechend im Bereich der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 am Stator 14 angeordnet. Dabei befindet sich der jeweilige Nutzflusssensor 27 bezüglich der Schwenkachse 7 in demselben Axialabschnitt wie die jeweilige Anlagefläche 18, 19. Der jeweilige Nutzflusssensor 27 weist eine Messspule 28 auf, welche die zugehörige Anlagefläche 18, 19 umschließt. Im Beispiel sind zwei Nutzflusssensoren 27 vorgesehen, deren Messspulen 28 jeweils eine der Anlageflächen 18, 19 umschließen. Bei einer anderen Ausführungsform ist grundsätzlich auch denkbar, dass der Nutzflusssensor 27 eine Messspule 28 aufweist, die beide Anlageflächen 18, 19 und insbesondere den Kern 16 umschließt.
  • Mit Hilfe einer einzigen Messspule 28, die beide Anlageflächen 18, 19 umschließt oder die eine der Anlageflächen 18, 19 umschließt, kann die Änderung detektiert werden, die sich im magnetischen Fluss durch die jeweilige Anlagefläche 18, 19 aufgrund der Ankerbewegung ergibt. Sofern die Messspule 28 nur einer der Anlageflächen 18, 19 zugeordnet ist, kann die Endposition identifiziert werden, in welcher sich der Anker befindet. Bevorzugt werden jedoch zwei Nutzflusssensoren 27, mit deren Hilfe sowohl die Ankerbewegung als auch die Ankerendlagen detektierbar sind.
  • Der jeweilige Nutzflusssensor 27 ist hier in den Kern 16 des Elektromagneten 10 baulich integriert, wodurch er bei der hier vorgestellten Bauweise des Stators 14 gleichzeitig in den Stator 14 baulich integriert ist. Des Weiteren ist es grundsätzlich möglich, den Nutzflusssensor 27 bzw. dessen Messspule 28 in die Arbeitsspule 10 baulich zu integrieren. Ebenso ist allgemein eine Integration in den jeweiligen Elektromagneten 10 denkbar. Beispielsweise kann der Spulenträger 26 einen komplementär zur freien Kernspitze ausgestalteten Ansatz aufweisen, der die jeweilige Messspule 28 aufnimmt. Durch die Montage des Elektromagneten 10 bzw. des Spulenkörpers 26 werden dann automatisch die Arbeitsspule 15 und der jeweilige Nutzflusssensor 27 positioniert.
  • Die in den Fig. 2 und 5 vorgestellten unterschiedlichen Bauweisen können alternativ realisiert werden. Ebenso ist eine kumulative Realisierung denkbar. Insbesondere kann mit Hilfe des wenigstens einen Nutzflusssensors 27 die Stromregelung für die Elektromagnete 10 realisiert werden, während mit Hilfe des wenigstens einen Streuflusssensors 22 die Endlagenerkennung oder Seitenerkennung des Ankers 13 durchgeführt wird. Dabei können die unterschiedlichen Sensoren 22, 27 an verschiedenen Elektromagneten 10 angeordnet sein. Ebenso ist eine parallele Anordnung an mehreren Kernen 16 möglich, z.B. zur Verbesserung der Messung durch Mittelwertbildung und/oder zur Schaffung einer Redundanz.
  • In den hier gezeigten Beispielen ist der Anker 13 asymmetrisch ausgestaltet, um ihn aus der neutralen Ruhelage heraus durch eine Bestromung der Elektromagnete 10 in eine vorbestimmte Drehrichtung anziehen zu können. Diese Asymmetrie wird hier beispielsweise mittels einer Feldlinienbeeinflussung 96 realisiert, die hier jeweils der ersten Kontaktfläche 20 zugeordnet ist. Durch eine spezielle Anschwingprozedur wird erreicht, dass der Anker 13 aus der Ruhelage heraus in die vorbestimmte Endstellung gelangt. Gemäß Fig. 5 ist der der ersten Anlagefläche 18 zugeordnete Nutzflusssensor 27 so positioniert, dass er diese Asymmetrie berücksichtigt. Eine entsprechende Berücksichtigung kann auch bei den Streuflusssensoren 22 erfolgen.
  • Vorzugsweise ist die Stellvorrichtung 5 bei bevorzugten Ausführungsformen als Hochgeschwindigkeitsstellvorrichtung 5 ausgestaltet, die sich dadurch auszeichnet, dass sie zum Verschwenken des Ankers 13 zwischen den beiden Endstellungen eine Schaltzeit von weniger als 10 ms oder vorzugsweise von weniger als 5 ms benötigt.
  • Mit Bezug auf Fig. 3 wird im Folgenden die Seitenerkennung der Ankerposition mit Hilfe der Streuflusssensoren in Verbindung mit einer herkömmlichen Stromregelung für die Elektromagnete 10 näher beschrieben:
    Im oberen Diagramm sind zwei zeitliche Verläufe für die an den Messspulen 24 der beiden Streuflusssensoren 22 messbaren Induktionsspannungen Us aufgetragen, nämlich zum einen ein Verlauf 29 für die fangende oder anlegende Seite und ein Verlauf 30 für die abgebende oder lösende Seite. Im unteren Diagramm finden sich ein zeitlicher Verlauf 31 für die Drehlage des Ankers 13 (angegeben ist dabei der Drehwinkel ϕ), ein zeitlicher Verlauf 32 der an den Spulen 15 der Elektromagnete 10 anliegenden Spannung U sowie ein zeitlicher Verlauf 33 des durch die Spulen 15 der Elektromagnete 10 fließenden Stroms i.
  • Während einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 34 wird ein Haltestrom gechoppert, um den Anker 13 in einer seiner Endstellungen zu halten. Zu Beginn einer Phase 35 erfolgt der Befehl zum Umschalten des Ankers 13. Der Strom i wird abgeschaltet. Um ein Kleben des Ankers 13 an der lösenden Seite zu vermeiden, wird in einer Phase 36 eine negative Bestromung der Spulen 15 der Elektromagnete 10 durchgeführt. Während einer Phase 37 wird gewartet, bis sich der Anker 13 bewegt. Während dieser Phase 37 wird ein Maximum der Induktionsspannung U erwartet. Falls der Anker 13 zu diesem Zeitpunkt abgerissen war, also anstelle seiner Endlage seine Neutrallage oder Ruhelage eingenommen hat, kann dieses Maximum nicht detektiert werden. In der Phase 38 erfolgt keine Bestromung. Es liegt eine reine Flugphase vor, in welcher der Anker 13 durch die Rückstellkraft einer entsprechenden Rückstelleinrichtung angetrieben ist.
  • In einer Phase 39 erfolgt eine Bestromung auf einem erhöhten Spannungsniveau, um dem Elektromagneten 10 in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Energie zuzuführen. Die erhöhte Spannung ist erforderlich, um die Trägheit der Spulen 15 schneller zu überwinden. In einer Phase 40 wird ein Fangstrom gechoppert, und zwar bei einem reduzierten Spannungsniveau. Hierbei wird der Strom überwacht. Die Einspeisung des Fangstroms wird abgebrochen, wenn der Stromregler das Niveau nicht halten kann und der Stromanstieg unter einen bestimmten Wert absinkt. Erkennbar ist dieses Abbruchskriterium im unteren Diagramm im Stromverlauf 33 dadurch, dass der Strom am Ende eines geradlinigen, im Wesentlichen konstanten Bereichs relativ stark abfällt. In einer Phase 41 sind die Arbeitsspulen 15 auf Freilauf geschaltet und der Anker 13 schlägt an. Das bedeutet, dass die ersten oder zweiten Kontaktflächen 20, 21 an den ersten oder zweiten Anlageflächen 18, 19 zur Anlage kommen. In einer Phase 42 wird vorübergehend ein erhöhtes Stromniveau eingeprägt, um ein Prellen des Ankers 13 zu vermeiden. Anschließend liegt wieder die Phase 34 vor, in welcher der Haltestrom gechoppert wird, nur dass sich der Anker nun in der anderen Endlage befindet.
  • Während den Phasen 40 und 41 werden die Messspannungen der beiden Streuflusssensoren 22 beobachtet. Erwartet wird innerhalb dieser Beobachtungszeit, dass die Spannung an der anliegenden Seite beim Anlegen des Ankers 13 stark ansteigt, während an der lösenden Seite ein umgekehrter Spannungsverlauf erwartet wird. Als Entscheidungskriterium für die Identifikation der tatsächlich vorliegenden Endstellung kann beispielsweise der Anstieg beider Spannungskurven in einem vorgegebenen Zeitfenster 43 dienen. Zusätzlich oder alternativ kann als Identifikationskriterium ein Abstand 44 verwendet werden, den die beiden Verläufe 29, 30 maximal voneinander aufweisen. Hierdurch kann die vom Anker 13 erreichte Endposition eindeutig identifiziert werden, ohne dass hierzu ein Zähler mitlaufen muss. In Fig. 3 ist außerdem eine feste Zeitdauer 45 eingetragen, die für die Phase 38 eine vorbestimmte Zeitspanne definiert. Diese feste Pausenzeit 45 kann auf Erfahrungswerten beruhen und kann insbesondere bei einer adaptiven Regelung variieren.
  • Anhand von Fig. 4 wird im Folgenden eine Möglichkeit erörtert, mit Hilfe der Streuflusssensoren 22 die Bestromung der Elektromagneten 10 zu regeln. Fig. 4 zeigt dabei im oberen Diagramm einen Verlauf 46 einer induzierten Spannung Us auf der anlegenden oder fangenden Seite, während ein Verlauf 47 die induzierte Spannung Us an der abgebenden oder lösenden Seite wiedergibt. An einer Position 48 kommen sich die beiden Verläufe 46 und 47 so nahe, dass ein vorbestimmter Spannungsabstand unterschritten wird. An einer Stelle 49 liegt zumindest beim Verlauf 46 der fangenden Seite ein Maximum vor. Bei 51 erreicht der Verlauf 47 der lösenden Seite ein Minimum.
  • In dem in Fig. 4 unten gezeigten Diagramm sind ein Verlauf 52 für die Ankerbewegung (angegeben ist dabei der Drehwinkel ϕ) und ein Verlauf 53 für den Strom i zur Versorgung der Elektromagnete 10 bzw. deren Arbeitsspulen 15 aufgetragen. Mit 54 ist dabei eine Position des Stromverlaufs 53 markiert, bei welcher zum Starten eines Umschaltvorgangs die Bestromung der Elektromagnete 10 ausgeschaltet wird.
  • Während einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 55 wird der Haltestrom gechoppert, so dass der Anker 13 in einer der beiden Endstellungen gehalten wird. Zu Beginn einer Phase 56 wird gemäß der Position 54 die Stromzuführung zu den Arbeitsspulen 15 abgeschaltet. Der Umschaltvorgang beginnt. Um ein Kleben des Ankers 13 an der lösenden Seite zu vermeiden, wird während einer Phase 57 eine negative Bestromung der Arbeitsspulen 15 durchgeführt. Darauf folgt eine Phase 58, während der keine Bestromung der Elektromagnete 10 erfolgt. Es handelt sich hier wieder um eine Flugphase für den Anker 13. Diese Phase 58 endet an der Stelle 48, also wenn der Abstand zwischen den beiden Sensorspannungen 46, 47 einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Sobald dieses Abbruchkriterium vorliegt, wird die Phase 58 beendet und die Phase 59 beginnt, in der dem System vergleichsweise viel Energie zugeführt wird. Hierzu wird bei einem erhöhten Spannungsniveau vergleichsweise viel Strom zugeführt. Dementsprechend besitzt der Stromverlauf 53 in der Phase 59 einen relativ steilen Anstieg. Auch diese Phase 59 wird mit den Streuflusssensoren 22 überwacht. Sobald bei einem der Sensoren 22, in der Regel zeitgleich bei beiden Sensoren 22, der Verlauf 46, 47 der Sensorspannungen sein Maximum erreicht, was an der Position 49 der Fall ist, wird die Phase 59 beendet und eine Phase 60 beginnt. Während dieser Phase 60 wird auf einem reduzierten Spannungsniveau für die Bestromung der Arbeitsspulen 15 eine konstante Sensorspannung für den Verlauf 46 des Streuflusssensors 22 der anlegenden Seite eingeregelt. Im Beispiel wird hier der Wert der Abszissenachse eingeregelt, der beim Wert Null liegen kann. Diese Phase 60 wird abgebrochen, wenn die gemessene Spannung im Verlauf 47 der lösenden Seite das Minimum 51 erreicht. Dieses Minimum 51 liegt dann vor, wenn der Anker 13 die andere Endstellung erreicht. In der darauffolgenden Phase 61 wird wieder das erhöhte Stromniveau eingeprägt, mit dessen Hilfe ein Prellen des Ankers 13 vermieden werden kann. Anschließend erfolgt wieder die Einspeisung des Haltestroms, so dass erneut die Phase 55 vorliegt. Erkennbar kann somit die gesamte Bestromung der Elektromagnete 10 in Abhängigkeit der Verläufe 46, 47 der induzierten Spannung US an den beiden Streuflusssensoren 22 geregelt werden. Aus diesen Verläufen 46, 47 können die Schaltzeitpunkte herausgelesen werden, zu denen die Phasen 58, 59 und 60 enden bzw. die Phasen 59, 60 und 61 beginnen.
  • Im Folgenden wird anhand von Fig. 6 für die mit Bezug auf Fig. 5 erläuterte Stellvorrichtung 5 eine erste Variante für eine Regelung der Bestromung der Elektromagnete 10 mit Hilfe der Nutzflusssensoren 27 näher erläutert:
    In Fig. 6 zeigt das obere Diagramm wieder mehrere zeitliche Verläufe. Im Einzelnen finden sich ein Verlauf 62 für den Nutzflusssensor 27 der anlegenden Seite zu Beginn eines Umschaltvorgangs, ein Verlauf 63 der Spannung des Nutzflusssensors 27 an der anlegenden Seite in einem späteren Bereich eines Umschaltvorgangs, einen Verlauf 64 für den Nutzflusssensor 27 der abgebenden Seite zu Beginn des Umschaltvorgangs und einen Verlauf 65 der lösenden Seite gegen Ende des Umschaltvorgangs. Markante Stellen sind eine Position 66, bei welcher ein mit dem Nutzflusssensor 27 der fangenden Seite ermittelter Parameter, einen vorbestimmten Schwellwert erreicht. Ferner ist eine Position 67 markiert, die ein Minimum im Verlauf 65 der abgebenden Seite repräsentiert.
  • Im unteren Diagramm der Fig. 6 sind wieder ein Verlauf 68 für die Ankerposition und ein Verlauf 69 für den den Arbeitsspulen 15 der Elektromagnete 10 zugeführten Strom i wiedergegeben. Während einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 70 wird ein Haltestrom gechoppert. Der Anker 13 ist in einer der Endstellungen festgehalten. Die Phase 71 beginnt mit dem Umschaltbefehl. Hierzu wird der Versorgungsstrom i abgeschaltet. Während der Phase 72 werden die Arbeitsspulen 15 negativ bestromt, um ein Kleben des Ankers 13 an den Anlageflächen 18, 19 zu vermeiden bzw. aufzuheben. Anschließend wird während einer Phase 73 die Bestromung komplett ausgeschaltet. Der Anker 13 befindet sich in seiner Flugphase. Die Phasen 71, 72, 73 sind hinsichtlich ihrer Länge fest vorgegeben, was in Fig. 6 durch eine Zeitspanne 74 angedeutet ist. Diese Zeitspanne 74 ist beispielsweise anhand von Versuchen ermittelt worden. Sie kann jedoch auch während des Betriebs der Stellvorrichtung 5 adaptiert werden. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne 74 endet somit die Phase 73 und die Phase 75 beginnt. Zu Beginn der Phase 75 erfolgt eine starke Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf einem erhöhten Spannungsniveau. Gleichzeitig beginnt mit dieser Phase 75 eine Integration der Sensorsignale zumindest auf der fangenden Seite. Durch die Integration der Spannungswerte kann der magnetische Fluss bestimmt werden. Die Phase 75 endet, wenn die Stelle 66 erreicht wird, also wenn ein vorbestimmter Flusswert (Schwellwert) erreicht wird. Anschließend können während einer Phase 76 bei einer reduzierten Spannung die Elektromagnete 10 so bestromt werden, dass z.B. eine konstante Flussänderung auf der fangenden Seite eingeregelt wird. Im Beispiel der Fig. 6 ist im oberen Diagramm im Verlauf 63 nach der Stelle 66 ein geradliniger Abschnitt mit geringer Steigung erkennbar. Dies entspricht einer konstanten Flussänderung. Alternativ zur konstanten Flussänderung kann bei anderen Ausführungsformen auch eine linear abnehmende oder linear zunehmende Flussänderung eingeregelt werden; ebenso ist ein parabolischer oder exponentieller Verlauf für die Flussänderung denkbar. Gleichzeitig wird während dieser Phase 76 der Verlauf des Flusses, nämlich die induzierte Spannung Us an der abgebenden Seite gemäß dem Verlauf 65 beobachtet. Das Ende dieser Phase 76 liegt beim Auftreffen des Ankers 13 auf die Anlageflächen 18 bzw. 19 vor. Erkannt wird dies im Beispiel dadurch, dass der Spannungsverlauf 65 am abgebenden Nutzflusssensor 27 bei 67 sein Minimum erreicht. Sobald dieses Minimum 67 vorliegt, wird die Phase 76 beendet und eine Phase 77 begonnen, in welcher ein erhöhtes Stromniveau eingeprägt wird, um ein Prellen des Ankers 13 zu vermeiden. Anschließend liegt wieder die Phase 70 vor, in welcher der Haltestrom gechoppert wird. Der Anker 13 befindet sich nun in der anderen Endstellung.
  • Zu Beginn des Umschaltvorgangs kann durch Beobachten der Spannungsverläufe an den beiden Nutzflusssensoren 27 identifiziert werden, von welcher Endstellung sich der Anker 13 jetzt löst bzw. in Richtung welcher Endstellung der Anker 13 in Bewegung gesetzt wird. Hierzu werden die Minima der Verläufe 62 und 64 beobachtet. Das Spannungsminimum ist beim lösenden Nutzflusssensor 27 kleiner als beim anlegenden Nutzflusssensor 27. Dabei kann ein Spannungsabstand 78 beobachtet werden, der einen Mindestwert aufweisen muss. Die hier vorgestellte Vorgehensweise ermöglicht somit eine Bestromung ausschließlich in Abhängigkeit der mit Hilfe der Nutzflusssensoren 27 ermittelten Messsignale. Gleichzeitig kann mit Hilfe dieser Messsignale auch eindeutig die Position des Ankers 13 identifiziert werden (Seitenerkennung).
  • Im Folgenden wird anhand von Fig. 7 eine zweite Alternative zum Regeln der Bestromung der Elektromagnete 10 bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Stellvorrichtung 5 mit Hilfe der Nutzflusssensoren 27 näher erläutert:
    In Fig. 7 sind im oberen Diagramm wieder mehrere zeitliche Verläufe eingetragen, nämlich ein Verlauf 79 der vom fangenden Nutzflusssensor 27 gemessenen Spannung zu Beginn eines Umschaltvorgangs. Ein Verlauf 80 zeigt die zu Beginn eines Umschaltvorgangs am abgebenden Nutzflusssensor 27 gemessene Spannung. Ein Verlauf 81 gibt die am fangenden Nutzflusssensor 27 gemessene Spannung gegen Ende des Umschaltvorgangs wieder. Ein Verlauf 82 gibt für den Endbereich des Umschaltvorgangs den Spannungsverlauf am abgebenden Nutzflusssensor 27 wieder. Bei Position 83 wird ein vorbestimmter Flusswert an der annehmenden Seite erreicht. An der Position 84 liegt ein Minimum im Spannungsverlauf 82 der abgebenden Seite vor.
  • Im unteren Diagramm befindet sich ein zeitlicher Verlauf 85 für die Bewegungsbahn (angegeben ist dabei der Drehwinkel ϕ) des Ankers 13 und ein zeitlicher Verlauf 86 für den Strom i zur Versorgung der Elektromagnete 10. In einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 87 wird ein Haltestrom gechoppert, um den Anker 13 in der einen Endstellung festzuhalten. Zu Beginn einer Phase 88 erfolgt der Befehl zum Umschalten des Ankers 13 von der einen Endstellung in die andere Endstellung. Hierzu wird die Bestromung der Arbeitsspulen 15 abgeschaltet. In der Phase 89 erfolgt wieder eine negative Bestromung der Arbeitsspulen 15, um ein Kleben des Ankers 13 zu vermeiden bzw. gegen eine solche Anhaftung den Anker 13 von den Anlageflächen 18 bzw. 19 zu lösen. Anschließend folgt eine freie Flugphase 90, in der keine Bestromung der Elektromagnete 10 erfolgt. Auch hier ist wieder für die Phasen 88, 89 und 90 eine feste Zeitspanne 91 vorgegeben, die aus Versuchen ermittelt werden kann und die insbesondere während des Betriebs der Stellvorrichtung 5 adaptierbar ist. Am Ende dieser vorgegebenen Pausenzeit 91 endet die Phase 90 und die Phase 92 beginnt. Während dieser Phase 92 wird die Bestromung der Arbeitsspulen 15 so geregelt, dass sich am fangenden Nutzflusssensor 27 ein konstanter Verlauf 81 einstellt. Um die Flussänderung zu erhöhen, erfolgt die Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf einem erhöhten Spannungsniveau. Um die Flussänderung wieder etwas zu reduzieren, erfolgt die Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf einem reduzierten Spannungsniveau. Auf diese Weise kann der konstante Verlauf der Flussänderung eingeregelt werden. Während dieser Phase 92 wird der Fluss integriert bis ein vorbestimmter Maximalwert erreicht wird. Dieser Schwellwert ist bei der Stelle 83 erreicht. Sie beendet die Bestromung durch Wechseln zwischen unterschiedlich hohen Spannungsniveaus. Es beginnt mit der Phase 93 eine Bestromung, bei der zum Erhöhen der Flussänderung eine Bestromung auf dem niedrigeren Spannungsniveau durchgeführt wird und bei der zum Reduzieren der Flussänderung die Bestromung ausgeschaltet wird, d.h. die Spannung wird auf Null reduziert. Es erfolgt somit immer noch eine Regelung im Hinblick auf eine konstante Flussänderung. Gleichzeitig wird nunmehr der Flussverlauf an der abgebenden Seite beobachtet. Die Phase 93 wird beendet, sobald der Fluss auf der lösenden Seite wieder ansteigt, das heißt, sobald der Verlauf 82 sein Minimum 84 erreicht. Dies ist dann der Fall, wenn der Anker 13 an der anderen Endstellung gegen den Anschlag läuft. In der darauffolgenden Phase 94 wird wieder ein Stromniveau in die Arbeitsspulen 15 der Elektromagnete 10 eingeprägt, das ein Prellen des Ankers 13 vermeidet. Anschließend wird wieder der Haltestrom angelegt, so dass wieder die Phase 87 vorliegt.
  • Die in den hier besprochenen Diagrammen der Fig. 3, 4 und 6, 7 genannten Spannungsniveaus liegen beispielsweise bei 12 V für das niedrigere Spannungsniveau und bei 45 V für das höhere Spannungsniveau.
  • Die Erkennung bzw. Identifizierung der tatsächlich vorliegenden Endstellung erfolgt auch hier zu Beginn des Umschaltvorgangs durch Vergleichen der beiden Spannungsverläufe 79, 80 an den beiden Nutzflusssensoren 27. Die Spannung am abgebenden Nutzflusssensor 27 fällt stärker ab als am fangenden Nutzflusssensor 27. Beobachtet wird hierbei ein Abstand 95 zwischen den Minima der beiden Verläufe 79, 80, der einen Mindestwert aufweisen muss.
  • Entsprechend Fig. 8 soll für eine bevorzugte Ausführungsform ein weiteres mögliches Betriebsverfahren für die Stellvorrichtung 5 näher erläutert werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Regelung der Spannung bzw. des Stroms am jeweiligen Elektromagneten 10 nicht über die gesamte Zeitdauer des jeweiligen Schaltvorgangs in Abhängigkeit der mit Hilfe der Sensorik 12 gemessenen Messsignale durchgeführt. Die Regelung der Spannungs- und/oder Stromversorgung des jeweiligen Elektromagneten 10 erfolgt nur während einer vorbestimmten Regelungszeit 97. Diese Regelungszeit 97 beginnt zu einem Zeitpunkt, bei dem der Anker 13 von der lösenden Endstellung abhebt, zu dem also seine Drehbewegung beginnt. Ermittelt wird dieser Zeitpunkt mit Hilfe der Sensorik 12. Durch Beobachten eines Verlaufs 99 der Sensorspannung an der lösenden Seite und/oder des Stromverlaufs 69 am wenigstens einen Elektromagneten kann während des Lösens des Ankers 13 oder zu Beginn der Drehbewegung bis zum Ende der stromfreien Flugphase ein markanter Zeitpunkt detektiert werden, auf den sich der Startzeitpunkt der folgenden Bestromung bezieht. Vorzugsweise kann das ausgeprägte Minimum 100 im Verlauf 99 der Sensorspannung an der lösenden Seite, welches den Zeitpunkt definiert, zu dem sich der Anker 13 löst, ausgewertet werden. Während der Regelungszeit 97 findet die Spannungs-Stromregelung des wenigstens einen Elektromagneten 10 in Abhängigkeit der mit Hilfe der Sensorik 12 ermittelten Messsignale statt. Diese Regelung findet insbesondere in einem Bereich 103 des Stromverlaufs 69 statt, in dem nach der Freiflugphase Energie in den wenigstens einen Elektromagneten 10 eingebracht wird. Insoweit kann insbesondere auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden. Mit Ablauf der Regelungszeit 97 wird diese Regelung der Spannungs- und/oder Stromversorgung des wenigstens einen Elektromagneten 10 beendet und es wird eine konstante Spannung am jeweiligen Elektromagneten 10 angelegt. Die Regelungszeit 97 ist dabei so bemessen, dass der Anker 13 am Ende der Regelungszeit 97 noch nicht die andere, also die fangende Endlage erreicht hat, sich ihr jedoch schon relativ weit genähert hat. Die am jeweiligen Elektromagneten 10 angelegte konstante Spannung ist so gewählt, dass sie zum sicheren Auffangen des Ankers 13 ausreicht. Durch Beobachten eines Spannungsverlaufs 101 der Sensorik 12 auf der fangenden Seite kann beispielsweise der Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem der Anker 13 die fangende Endlage erreicht. Beim Anlegen des Ankers 13 in der fangenden Endlage zeigt der Spannungsverlauf 101 der fangende Seite ein Maximum 102.
  • Um eine möglichst geringe Geräuschentwicklung während der Schaltvorgänge realisieren zu können, ist eine möglichst niedrige Auftreffgeschwindigkeit für den Anker 13 beim Anlegen an der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 erwünscht. Um die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13 zu ermitteln, gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann die Steuereinrichtung 8 Messsignale des Klopfsensors 98 auswerten. Die Intensität der damit ermittelten Klopfsignale korreliert mit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13. Alternativ können auch die Messsignale der Sensorik 12 auf der fangenden Seite ausgewertet werden. Im Verlauf 101 der Sensorspannung der fangenden Seite korreliert der Spannungsanstieg am Ende der Regelungszeit 97 bis zum Maximum 102 mit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13. Je steiler der Spannungsanstieg, desto höher ist die Auftreffgeschwindigkeit.
  • Die Steuereinrichtung 8 kann nun einen Energieeintrag in den wenigstens einen Elektromagneten 10 während der Regelungszeit 97 in Abhängigkeit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13 adaptieren. Dieser Energieeintrag entspricht einer Fläche 104 unterhalb des Stromverlaufs 69 im Bereich 103 und wird im Folgenden auch mit Energieeintrag 104 bezeichnet. Das bedeutet, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13, die für den aktuellen Schaltvorgang ermittelt worden ist, dazu verwendet wird, den Energieeintrag 104 während der Regelungszeit 97 für den nächsten Schaltvorgang zu adaptieren. Liegt die ermittelte Auftreffgeschwindigkeit unterhalb eines Toleranzbereichs zulässiger Auftreffgeschwindigkeiten, wird der Energieeintrag 104 während der Regelungszeit 97 um einen vorbestimmten Wert, der insbesondere vom Abstand der ermittelten Auftreffgeschwindigkeit vom Toleranzbereich abhängen kann, vergrößert, während dieser um einen vorbestimmten Wert, der insbesondere vom Abstand der ermittelten Auftreffgeschwindigkeit vom Toleranzbereich abhängen kann, verkleinert wird, wenn die ermittelte Auftreffgeschwindigkeit oberhalb des Toleranzbereichs liegt. Die Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Energieeintrags 104 kann bei einer einfachen Ausführungsform durch Verlängern oder Verkürzen der Regelungszeit 97 eingestellt werden. Die Adaption des Energieeintrags 104 wird dabei durch eine entsprechende Adaption der Regelungszeit 97 realisiert. Alternativ kann zum Variieren des Energieeintrags 104 auch die Frequenz beim Choppern der Spannung während der Spannungs- bzw. Stromregelung des wenigstens einen Elektromagneten 10 und/oder die Steigung des Stromanstiegs und/oder die Höhe der Spannung während der Spannungs- bzw. Stromregelung variiert werden.

Claims (15)

  1. Stellvorrichtung zum Verstellen eines Stellglieds (4) zwischen zwei Endstellungen, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung bei einer Brennkraftmaschine,
    - mit einem Anker (13), der um eine Schwenkachse (7) zwischen zwei Endstellungen in einem Stator (14) schwenkverstellbar gelagert ist und der drehfest mit dem Stellglied (4) verbunden oder verbindbar ist,
    - mit einer Rückstelleinrichtung zum Vorspannen des Ankers (13) in eine zwischen den Endstellungen liegende Neutralstellung,
    - mit mindestens einem am oder im Stator (14) angeordneten Elektromagneten (10) zum Erzeugen elektromagnetischer Anziehungskräfte,
    - mit mindestens einer ersten statorseitigen Anlagefläche (18), an welcher eine erste Kontaktfläche (20) des Ankers (13) in der ersten Endstellung des Ankers (13) anliegt,
    - mit zumindest einer zweiten statorseitigen Anlagefläche (19), an welcher eine zweite Kontaktfläche (21) des Ankers (13) in der zweiten Endstellung des Ankers (13) anliegt,
    - mit einer Sensorik (12) zum Messen wenigstens eines von der Ankerbewegung und/oder Ankerposition abhängigen Parameters eines vom wenigstens einen Elektromagneten (10) erzeugten Magnetfelds während des Betriebs der Stellvorrichtung (5),
    - wobei eine Steuereinrichtung (8) zum Betätigen des wenigstens einen Elektromagneten (10) vorgesehen ist, die mit der Sensorik (12) zur Auswertung der Messsignale gekoppelt ist und die so ausgestaltet ist, dass sie mit den Messsignalen der Sensorik (12) eine Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten (10) bei einem Schaltvorgang durchführt, bei dem sich der Anker (13) von der einen, abgebenden Endstellung in die andere, fangende Endstellung bewegt,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Steuereinrichtung (8) so ausgestaltet ist, dass sie bei einem Schaltvorgang die mit Hilfe der Messsignale der Sensorik (12) durchgeführte Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten (10) nach einer vorbestimmten Regelungszeit (97) beendet und stattdessen am wenigstens einen Elektromagneten (10) eine konstante Spannung anlegt,
    - dass die Regelungszeit (97) so bemessen ist, dass der Anker (13) am Ende der Regelungszeit (97) die fangende Endstellung noch nicht erreicht hat.
  2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Steuereinrichtung (8) zum Betätigen des wenigstens einen Elektromagneten (10) vorgesehen ist, die mit der Sensorik (12) zur Auswertung der Messsignale gekoppelt ist und die so ausgestaltet ist, dass sie mit den Messsignalen der Sensorik (12) die tatsächliche Endstellung des Ankes (13) identifiziert, die der Anker (13) aktuell einnimmt oder in die der Anker (13) aktuell einschwenkt oder aus der der Anker (13) aktuell ausschwenkt.
  3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Steuereinrichtung (8) anhand der Messsignale der Sensorik (12) während der Phase der konstanten Spannung am wenigstens einen Elektromagneten (10) einen mit einer Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) korrelierte Größe ermittelt und in Abhängigkeit davon einen Energieeintrag (104) für den nächsten Schaltvorgang adaptiert,
    - wobei optional vorgesehen sein kann, dass die Steuereinrichtung (8) mit einem Klopfsensor (98) gekoppelt ist und in Abhängigkeit von Messsignalen des Klopfsensors (98) einen Energieeintrag (104) für den nächsten Schaltvorgang adaptiert.
  4. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensorik (12) zumindest einen Streuflusssensor (22) aufweist, der im Bereich wenigstens einer der Anlageflächen (18, 19) am Stator (14) angeordnet ist.
  5. Stellvorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Streuflusssensor (22) bezüglich der Schwenkachse (7) des Ankers (13) axial versetzt zur jeweiligen Ankerfläche (18, 19) angeordnet ist, und/oder
    - dass bei einem Stator (14), der mehrere Elektromagnete (10) aufweist, mehrere Streuflusssensoren (22) vorgesehen sind, die verschiedenen Elektromagneten (10) zugeordnet sind.
  6. Stellvorrichtung zumindest nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Sensorik (12) genau einen Streuflusssensor (22) aufweist, der genau eine Messspule (24) aufweist, die einer der Anlageflächen (18, 19) zugeordnet ist, oder dass die Sensorik (12) zwei Streuflusssensoren (22) aufweist, die jeweils eine Messspule (24) aufweisen, die jeweils einer der Anlageflächen (18, 19) zugeordnet sind,
    - wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass der jeweilige Streuflusssensor (22) einen Jochkörper (23) aufweist, der die jeweilige Messspule (24) trägt, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, den Jochkörper (23) bei einer einzigen Messspule (24) U-förmig auszugestalten und bei zwei Streuflusssensoren (22) einen gemeinsamen Jochkörper (23) vorzusehen, der E-förmig ausgestaltet ist.
  7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der jeweilige Streuflusssensor (22) an einem Träger (25) befestigt ist, der seinerseits am Stator (14) befestigt ist, oder dass der jeweilige Streuflusssensor (23) in den Elektromagneten (10), insbesondere in eine Arbeitsspule (15) des Elektromagneten (10), baulich integriert ist.
  8. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensorik (12) mindestens einen Nutzflusssensor (27) aufweist, der im Bereich wenigstens einer der Anlageflächen (18, 19) am Stator (14) angeordnet ist.
  9. Stellvorrichtung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Nutzflusssensor (27) und die jeweilige Anlagefläche (18, 19) bezüglich der Schwenkachse (7) des Ankers (13) in demselben Axialabschnitt angeordnet sind, und/oder
    - dass der Nutzflusssensor (27) eine Messspule (28) aufweist, die eine der Anlageflächen (18, 19) umschließt, oder dass der Nutzflusssensor (27) eine Messspule (28) aufweist, die beide Anlageflächen (18, 19) umschließt, oder dass zwei Nutzflusssensoren (27) vorgesehen sind, deren Messspulen (28) jeweils eine der Anlageflächen (18, 19) umschließen.
  10. Stellvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Nutzflusssensor (27) in den Stator (14) oder in den Elektromagneten (10) baulich integriert ist, wobei der Nutzflusssensor (27) in einen Kern (16) des Elektromagneten (10) oder in eine Arbeitsspule (15) des Elektromagneten (10) baulich integriert sein kann, und/oder
    - dass bei einem Stator (14), der mehrere Elektromagnete (10) aufweist, mehrere Nutzflusssensoren (27) vorgesehen sind, die verschiedenen Elektromagneten (10) zugeordneten sind.
  11. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass jeweils mit der gleichen Anzahl mehrere Elektromagneten (10), mehrere erste Anlageflächen (18), mehrere zweite Anlageflächen (19), mehrere erste Kontaktflächen (20) und mehrere zweite Kontaktflächen (21) vorgesehen sind, und/oder
    - dass die Stellvorrichtung (5) als Hochgeschwindigkeitsstellvorrichtung (5) ausgestaltet ist, die zum Verschwenken des Ankers (13) von der einen Endstellung in die andere Endstellung weniger als 10 ms oder weniger als 5 ms benötigt.
  12. Ventileinrichtung zum Beeinflussen einer Gasströmung (2) in einem Gaspfad (3), insbesondere bei einer Brennkraftmaschine,
    - mit einem Ventilglied (4) zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts (6) des Gaspfads (3), das um eine Schwenkachse (7) zwischen zwei Endstellungen verstellbar angeordnet ist,
    - mit einer Stellvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, deren Anker (13) mit dem Ventilglied (4) drehfest verbunden ist.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    - bei dem während eines Schaltvorgangs während einer Regelungszeit (97) die Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten (10) in Abhängigkeit von Messsignalen der Sensorik (12) geregelt wird,
    - bei dem mit Ablauf der Regelungszeit (97) die Regelung beendet wird und stattdessen eine konstante Spannung am wenigstens einen Elektromagneten (10) angelegt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Energieeintrag (104) in den wenigstens einen Elektromagneten (10) für den nächsten Schaltvorgang in Abhängigkeit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) adaptiert wird, die der Anker (13) während des aktuellen Schaltvorgangs erreicht.
  15. Verfahren nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) in Abhängigkeit von Messsignalen der Sensorik (12) ermittelt wird, oder
    - dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) in Abhängigkeit von Messsignalen eines Klopfsensors (98) ermittelt wird.
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