EP2936511A1 - Elektromagnetische stellvorrichtung - Google Patents

Elektromagnetische stellvorrichtung

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EP2936511A1
EP2936511A1 EP13798262.5A EP13798262A EP2936511A1 EP 2936511 A1 EP2936511 A1 EP 2936511A1 EP 13798262 A EP13798262 A EP 13798262A EP 2936511 A1 EP2936511 A1 EP 2936511A1
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EP
European Patent Office
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coil
coil winding
winding
ohms
energization
Prior art date
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EP13798262.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2936511B1 (de
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Philipp FANGAUER
Jörg BÜRSSNER
Peter Vincon
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ETO Magnetic GmbH
Original Assignee
ETO Magnetic GmbH
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Publication date
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Publication of EP2936511A1 publication Critical patent/EP2936511A1/de
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    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
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    • H01F2007/1684—Armature position measurement using coils
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    • H01F7/1844—Monitoring or fail-safe circuits
    • H01F2007/185—Monitoring or fail-safe circuits with armature position measurement

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic actuator according to the preamble of the main claim.
  • Such a device is known from DE 20 2005 01 1 901 U1 of the Applicant.
  • the purpose of the generic technology is to provide a suitable in particular for adjusting the camshaft on a motor vehicle engine actuator whose anchor (plunger) position or movement is detected in a simple manner.
  • the energized for driving the anchor means coil is additionally used in its de-energized state during this period, a voltage induced by the armature unit or its movement in the coil voltage tapped as a signal from the coil terminal and suitably subsequently by the detection means is evaluated. It is advantageously achieved by this measure that no additional sensors or detector units are required for the armature detection, which, in addition to corresponding component expenditure, would also require more extensive connection and line infrastructure.
  • the coil means provided with the energization for the purpose of the armature movement are increasingly low-resistance (and also have relatively lower inductances), which is made possible by corresponding wire cross-sections and winding or winding numbers of the winding wire used for the coil means.
  • a disadvantage of such low-resistance coils is that the signal detected in the non-energized state (“throw-back signal”) is significantly smaller and therefore harder to detect than in the conventional technology.
  • Object of the present invention is therefore to provide a generic electromagnetic actuator, which, for example by low-resistance, provided with low numbers of coils coil means is improved in their dynamic properties and has shortened switching times to improve so that nonetheless in the state of non-energization reliable detection the movement or setting position of the anchor means is detectable from a voltage applied to the coil means detection signal.
  • the coil means are realized in the form of two separate, but to achieve a two-pole parallel coil windings, of which a first in the above, dynamically advantageous manner for driving the armature unit can be provided with the energization and, relative to the second coil winding, by appropriate design of the Spool wire and / or a reduced number of turns, low impedance is realized.
  • the second coil winding designed relative to the first coil winding by appropriate design of the coil wire and / or an increased number of turns high or high resistance, as a sensor or detector winding and is used to generate the detection signal outside the energization (more precisely: the Bestromungszeit) evaluated ,
  • the first and the second coil winding is connected in parallel as a two-pole, such that each of the coil windings forms a branch, the respective branch ends together are connected and at these junctions externally (with the power source and the downstream detection means) are connected.
  • the two-pole thus created makes it possible to use a connection or plug infrastructure that is already known for the generic technology, without the need for additional connections or lines; Especially in an automotive environment with corresponding resource constraints, this leads to considerable advantages in the practical realization.
  • the first coil winding also generates one of the Ankerschul corresponding induction signal, but this is due to the significantly lower number of turns less than the detection signal of the second coil winding, so that corresponding equalizing currents flow, which then no longer give usable signal at the terminals of the two-pole.
  • the blocking means may have almost any (electrical) switching means, in particular semiconductor-based implemented, it is favorable according to a preferred embodiment of the invention to realize the further education switching or blocking means as a diode, which in the first (low-resistance) coil winding associated branch of the parallel circuit is looped.
  • This diode becomes effective when the second coil winding generates the detection signal (that is to say the induction voltage) in a polarity which is opposite to the polarity of the current supply.
  • the detection signal generated therein would then be represented by the diode associated with the first coil winding be blocked and can thus be tapped by the detection means on the dipole and subsequently evaluated.
  • this common coil carrier can advantageously be wound along an axial direction of the adjusting device, ie parallel to a direction of movement of the armature unit, first with a coil or winding section realizing the first coil winding, then with a coil section implementing the second coil winding, or else it can the reverse axial sequence can be selected.
  • the coil windings adjacent to one another in the radial direction, it being particularly advantageous here to apply the second coil winding to the first coil winding realizing the drive coil so as to be suitable on the shell side;
  • Such a configuration is particularly suitable for radially symmetric embodiments of the electromagnetic actuator, in which the coil means, more preferably cylindrical, enclose the armature unit and the core unit and define the axis of movement of the armature unit by its central axis.
  • the first coil winding such that an ohmic resistance of ⁇ 20 ohms is formed, more preferably this may be 6 ohms or less (for inductors in the range between approximately 25 mH for coils ⁇ 20) Ohms up to 4 mH and down to 0.8 mH for coils ⁇ 6 ohms). Accordingly, good dynamic properties can be realized.
  • the second coil winding with an ohmic resistance above 100 ohms is preferred in particular, a resistor above 400 ohms and ⁇ 1500 ohms, so that a well evaluable detection signal can be generated and, in cooperation with the first coil winding, no significant current division takes place during energization.
  • a resistor above 400 ohms and ⁇ 1500 ohms are typical inductances between about 1 H (400 ohm sensor coil) and about 7 H (500 ohms).
  • An additional advantage here brings the additionally provided for further training second diode, looped into the second coil winding associated branch: by the first diode (in the branch of the first coil winding) opposite polarity prevents this second diode (realized as a Zener diode) any current flow during energization allows at the same time, in the case of the winding direction or the corresponding contacting which is provided in the opposite way according to the invention, a current flow of the detection signal to the terminals of the dipole.
  • the present invention thus achieves a significant improvement in the movement or position detection of anchor means in the context of the generic electromagnetic actuator, with significantly improved dynamic characteristics are achieved and the device is still connected only two poles, in other words, for connection with upstream controllers no additional connections or lines are required.
  • Fig. 1 (a), (b), an equivalent circuit of the coil means according to the invention a first embodiment of the invention with only one, the first coil winding associated diode, in the energized state (a) or in the throw-back state (b) with induced back-off voltage and de-energized main coil;
  • 3 to 5 are schematic longitudinal sectional views of the electromagnetic actuator with possible geometrical-constructive implementation variants of the first and second coil winding.
  • Figs. 3 to 5 each as half a longitudinal section through a radially symmetrically realized electromagnetic actuator according to a first preferred embodiment, three variants, as the first and second coil winding may be provided adjacent to each other: one of an elongated anchor tappet 10, a Disc-shaped, axially magnetized permanent magnet 12 and a pair on both sides of the permanent magnet disc 12 provided Flußleitusionn 14, 16 formed anchor unit is along an axial Direction 18 (as far as the symmetry axis of FIG. 3 to 5) and guided relative to a stationary core unit 20 movable.
  • the armature unit cooperates with an engagement-side plunger 22, which is held by the permanent magnetic adhesive force of the permanent magnet 12 at a front end of the armature plunger 12 releasably adhering.
  • engagement end 24 of the engagement ram for cooperation with a (not shown) control partner, in particular a parking cam camshaft adjustment for an internal combustion engine is formed, and for this purpose emerges from a front-side housing surface 26 of a unit surrounding the cylindrical housing 28 out.
  • a bottom plate 30 and a frontal flux guide 32 close magnetic circuits over the housing, wherein in the arrangement shown (and in otherwise known manner) in response to the energization of a first coil winding 34, a repulsive force between the core unit 20 and the permanent magnet assembly 14th , 12, 16, which drives the anchor unit and thus the attaching armature plunger 22 from its rest position shown in FIGS. 3 to 5 into an engagement position (in the figure direction downwards), so that the engagement end 24 can cooperate with the adjusting groove.
  • the embodiment shown has, adjacent to the first coil winding 34, a second coil winding 36, which in the embodiment of FIG. 3 is axially adjacent to the coil winding 34 in the direction of the permanent magnet unit.
  • a second coil winding 36 which acts as a detector coil (sensor) for the armature movement in the de-energized state, relatively close to the permanent magnet unit 14, 12, 16, so that high detection quality is ensured.
  • FIG. 3 As a variant of the geometrical configuration of FIG. 3, FIG.
  • FIG. 4 shows an alternative arrangement of the second coil winding adjacent to the first coil winding (with the same reference numerals for identical or equivalent components and functional groups);
  • the second coil winding 36 in turn axially adjacent, on the permanent magnet unit opposite end of the first coil unit 36; This variant is particularly easy to contact.
  • FIG. 5 shows the second coil winding 40 radially outwardly lying and wound on the first coil winding 34 and thus advantageously allows additional axial space.
  • a coil holder (not shown), typically realized from a suitable, magnetically non-conductive plastic injection molding material, carries both coil windings in the respective configurations shown.
  • FIGS. 1 and 2 illustrate the wiring and configuration of the respective coil windings as mutually alternative embodiments.
  • FIG. 1 shows in the diagram how the first coil winding (represented by its coil resistor Rhiaupt as well as its inductance L HaU pt) forms a first branch of a dipole , to which a first diode D1 is assigned : the intended for supplying current with the purpose of driving the armature unit first winding 34 is energized with a polarity that the voltage drop U Ha upt along the flow direction of the diode D1 passes, in other words, during energization D1 conducts.
  • FIG. 1 further illustrates a second, the second coil winding 36 (or 40) corresponding branch in the equivalent circuit diagram shown, said second coil winding is shown as a substitute by their ohmic coil resistance Rsensor or their inductance L Sen sor-
  • the sense of winding of this coil winding is set up so that one of the lighting current Uhiaupt opposite induction or detector voltage Usensor (induced by the armature movement in the non-energized state) is formed, corresponding to the arrow directions in FIG. Is accessed on the two pole by the two terminals A1, A2, so far comparable to a conventional two-pole connection to a control unit.
  • the current flow through the branch corresponding to the coil winding 36 takes place along the arrow direction l Sen sor- Fig.
  • FIG. 1 shows the BestromungsSullivan the main coil 34 (approximately in a constructive implementation of one of the variants of Figures 3 to 5). it conducts the diode D1.
  • the windings 34 and 36 are configured relative to one another such that an ohmic resistance of the winding 36 (with about 400 to 1500 ohms) is significantly greater than an ohmic resistance of the first winding 34 (with about 0.1 to 6 Ohms), the current flow in the branch 36 during energization is negligible.
  • a second diode D2 assigns a second diode D2 to the branch of the second coil winding 36, which during the energizing operation (current flow through the first coil winding). blocks, so that no current flow through the serving as a sensor coil second coil winding.
  • D2 opens, so that in this respect the detection signal (with blocked D1) can flow and in turn can be tapped off via A1, A2.
  • the second diode D2 is implemented as a Zener diode and designed so that it blocks Uschaiten in the Bestromungs- or switching voltage, but has a breakdown voltage which is lower than the induced voltage Usensor- Thus, as symbolized in FIG.
  • the diode D1 prevents analogous to the first embodiment of Figure 1 that the discard signal U Se nsor on the main coil 34 is reduced; the induced reverse current of the main coil is blocked.
  • Typical implementation variants of the windings with a setting stroke of 3 mm to 6 mm, a typical setting force in the range of 3 N to 15 N and a typical outer diameter of the housing shell of about 20 mm are between 50 and 500 turns for the first coil winding and between approx. 800 and about 8,000 windings for the second winding, resulting in typical inductances of 0.8 mH to 25 mH and 1 H to 70 H, respectively.
  • FIGS. 3 to 5 show a bistable device; It can be seen that in an extended (engaged) state of the armature unit, the permanent magnet unit 14, 12, 16 at the front end housing end 26, 32 holds (by permanent magnet force), even in a de-energized state of the coil means. A typical provision then takes place in a manner customary for the camshaft adjustment by the action of the adjusting groove cooperating with the engaging ram 22. It is precisely such a bistability preferred for further development that realizes the advantages of the present invention of reliably detecting the movement or setting behavior of the armature unit by means of the second coil winding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit relativ zu stationären Spulenmitteln (34, 36; 34, 40) als Reaktion auf eine Bestromung derselben antreibbaren Ankermitteln (10, 12, 14, 16, 22), deren Bewegung (USchalten) und/oder Stellposition relativ zu stationären, mit den Spulenmitteln zusammenwirkenden Kernmitteln (29) durch den Spulenmitteln zugeordnete Erfassungsmittel detektierbar ist, wobei die Spulenmittel eine erste, zum magnetischen Zusammenwirken mit den Ankermitteln mittels der Bestromung ausgebildete Spulenwicklung (34) sowie eine zweite, zum Erzeugen eines Detektionssignals zeitlich außerhalb der Bestromung für die Erfassungsmittel ausgebildete Spulenwicklung (36; 40) aufweisen, die erste und die zweite Spulenwicklung zum Ausbilden eines Zweipols eine Parallelschaltung bilden, und dem Zweipol elektronische Schalt- und/oder Sperrmittel (D1, D2) so zugeordnet sind, dass diese außerhalb der Bestromung ein Kurzschließen des Detektionssignals (USensor) über die erste Spulenwicklung verhindern.

Description

Elektromagnetische Stellvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 20 2005 01 1 901 U1 der Anmelderin bekannt.
Einsatzzweck der gattungsbildenden Technologie ist es, eine insbesondere zur Nockenwellenverstellung an einem Kraftfahrzeugmotor geeignete Stellvorrichtung zu schaffen, deren Anker-(Stößel)Position bzw. -Bewegung auf einfache Weise detektierbar ist. Bei der gattungsbildenden Technologie wird zu diesem Zweck die zum Antreiben der Ankermittel bestromte Spule zusätzlich in ihrem unbestromten Zustand genutzt, indem während dieses Zeitraums eine durch die Ankereinheit bzw. deren Bewegung in der Spule induzierte Spannung als Signal vom Spulenanschluss abgegriffen und geeignet nachfolgend durch die Erfassungsmittel ausgewertet wird. Vorteilhaft wird durch diese Maßnahme erreicht, dass für die Ankerdetektion keine zusätzlichen Sensoren oder Detektoreinheiten erforderlich sind, welche, neben entsprechendem Bauteileaufwand, auch weitergehende Anschluss- und Leitungs-Infrastruktur erfordern würden.
Allerdings erweist sich die in der DE 20 2005 01 1 901 U1 beschriebene Technologie in der praktischen Realisierung und insbesondere im Zusammenhang mit dynamisch weiterentwickelten, schnell schaltenden Aktuatoren als verbesserungsbedürftig. So bringen etwa schnell drehende Motoren entsprechend kurze Nockenwellen-Umlaufzeiten, was für in diese eingreifende elektromagnetische Stellvorrichtungen das Erfordernis zunehmend kürzerer Schaltzeiten bedeutet; insbesondere der Zeitraum zwischen dem Beginn der Bestromung der Spulenmittel und dem Ausfahren der Ankermittel (mit ihrem endseitigen Eingriffsstößel) in eine Hub-Endposition ist entsprechend kurz zu gestalten. Konstruktiv wird dies unter anderem dadurch gelöst, dass die mit der Bestromung zum Zweck der Ankerbewegung versehenen Spulenmittel zunehmen niederohmig sind (und auch relativ geringere Induktivitäten aufweisen), was durch entsprechende Drahtquerschnitte und Wicklungs- bzw. Windungszahlen des für die Spulenmittel verwendeten Wicklungsdrahts ermöglicht wird. Nachteilig bei derartigen niederohmigen Spulen ist jedoch, dass das im Nicht-Bestromungszustand erfasste bzw. erfassbare Signal („Rückwurfsignal") deutlich kleiner und damit schwerer zu detektieren ist, als bei der herkömmlichen Technologie.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende elektromagnetische Stellvorrichtung, welche, etwa durch niederohmige, mit geringen Wicklungszahlen versehene Spulenmittel, in ihren Dynamikeigenschaften verbessert ist und verkürzte Schaltzeiten aufweist, so zu verbessern, dass gleichwohl im Zustand der Nicht-Bestromung eine zuverlässige Detektion der Bewegung oder Stellposition der Ankermittel aus einem an den Spulenmitteln anliegenden Detektionssignal erfassbar ist.
Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind die Spulenmittel in Form von zwei separaten, gleichwohl zum Erreichen eines Zweipols parallel zueinander geschalteten Spulenwicklungen realisiert, von denen eine erste in der vorbeschriebenen, dynamisch vorteilhaften Art zum Antreiben der Ankereinheit mit der Bestromung versehen werden kann und, relativ zu der zweiten Spulenwicklung, durch entsprechende Ausgestaltung des Spulendrahts und/oder eine reduzierte Wicklungszahl, niederohmig realisiert ist. Dagegen dient die zweite Spulenwicklung, relativ zur ersten Spulenwicklung durch entsprechende Ausgestaltung des Spulendrahts und/oder eine erhöhte Wicklungszahl hoch- bzw. höherohmig ausgebildet, als Sensor- bzw. Detektorwicklung und wird zum Erzeugen des Detektionssignals außerhalb der Bestromung (genauer: der Bestromungszeit) ausgewertet.
Um gleichwohl einen Leitungs- und Beschaltungsaufwand für die so in Form von zwei Komponenten bzw. Baugruppen realisierten Spulenmittel nicht zu erhöhen, ist die erste und die zweite Spulenwicklung als Zweipol parallel verschaltet, dergestalt, dass jede der Spulenwicklungen einen Zweig ausbildet, die jeweiligen Zweigenden miteinander verbunden sind und an diesen Verbindungsstellen extern (mit der Stromquelle sowie den nachgeschalteten Erfassungsmitteln) verbunden sind. Der so geschaffene Zweipol ermöglicht es damit, eine auch schon für die gattungsbildende Technologie bekannte Anschluss- bzw. Stecker- Infrastruktur zu nutzen, ohne dass etwa zusätzliche Anschlüsse oder Leitungen erforderlich sind; gerade in einem Automobil-Umfeld mit entsprechenden Ressourcenbeschränkungen führt dies zu beachtlichen Vorteilen in der praktischen Realisierung.
Da die erfindungsgemäße Parallelschaltung das Problem erzeugen würde, dass im Nicht-Bestromungszustand ein von der (hochohmigen) zweiten Spulenwicklung erzeugtes Detektionssignal der Ankerbewegung durch die (niederohmige) erste Spulenwicklung kurzgeschlossen werden würde, sind erfindungsgemäß für den Zweipol elektronische Schalt- bzw. Sperrmittel vorgesehen, welche, insbesondere durch ein selektives Sperren bzw. Unterbrechen des der ersten Spulenwicklung zugehörigen Pfades, einen derartigen Kurzschlusseffekt verhindern. Tatsächlich erzeugt während der Bestromung auch die erste Spulenwicklung ein der Ankerbewegung entsprechendes Induktionssignal, dieses ist jedoch aufgrund der deutlich geringeren Windungszahlen kleiner als das Detektionssignal der zweiten Spulenwicklung, so dass entsprechende Ausgleichsströme fließen, welche dann an den Anschlüssen des Zweipols kein nutzbares Signal mehr entstehen lassen.
Dagegen ist die Parallelschaltung der beiden Spulenwicklungen während der Bestromung deutlich weniger problematisch, da, durch die höherohmige Ausgestaltung, nur ein vernachlässigbarer Stromanteil des Bestromungssignals durch die zweite Spulenwicklung fließen würde.
Während in der erfindungsgemäßen Weiterbildung die Sperrmittel nahezu beliebige (elektrische) Schaltermittel, insbesondere auch Halbleiter-basiert realisiert, aufweisen können, ist es gemäß einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung günstig, die weiterbildungsgemäßen Schalt- bzw. Sperrmittel als Diode zu realisieren, welche in den der ersten (niederohmigen) Spulenwicklung zugehörigen Zweig der Parallelschaltung eingeschleift ist. Wirksam wird diese Diode dann, wenn die zweite Spulenwicklung das Detektionssignal (also die Induktionsspannung) in einer Polarität erzeugt, welche der Polarität der Bestromung entgegengesetzt ist: Bei einer solchen Ausgestaltung der zweiten Spulenwicklung würde dann das darin erzeugte Detektionssignal durch die der ersten Spulenwicklung zugeordnete Diode gesperrt werden und kann somit durch die Erfassungsmittel am Zweipol abgegriffen und nachfolgend ausgewertet werden.
Dabei ist es einerseits vorteilhaft, diese umgekehrte Polarität (entgegengesetzte Stromflussrichtung) dadurch zu realisieren, dass die erste und die zweite Spulenwicklung zueinander gegensinnig gewickelt sind. Alternativ kann, bei gleichsinniger Wicklung, auch eine entsprechend entgegengesetzte Kontaktierung der Wicklungen erfolgen. In der konstruktiven Realisierung der Erfindung ergeben sich weiterbildungsgemäß zahlreiche Möglichkeiten, die erste und die zweite Spulenwicklung - entgegengesetzt gewickelt oder kontaktiert - zu realisieren, wobei es bevorzugt ist, beide Spulenwicklung einander benachbart vorzusehen, weiter bevorzugt auf einem gemeinsamen Spulenträger. Wiederum weiterbildungsgemäß kann vorteilhaft dieser gemeinsame Spulenträger entlang einer axialen Richtung der Stellvorrichtung, d.h. parallel zu einer Bewegungsrichtung der Ankereinheit, zunächst mit einem die erste Spulenwicklung realisierenden Spulen- bzw. Wicklungsabschnitt, danach mit einem die zweite Spulenwicklung realisierenden Spulenabschnitt, gewickelt werden oder aber es kann die umgekehrte axiale Abfolge gewählt werden. Auch ist es (ergänzend oder alternativ) möglich, die Spulenwicklungen einander in radialer Richtung benachbart vorzusehen, wobei es hier insbesondere günstig ist, auf die insoweit die Antriebsspule realisierende erste Spulenwicklung geeignet mantelseitig die zweite Spulenwicklung aufzubringen; eine solche Konfiguration eignet sich insbesondere für radial-symmetrisch aufgebaute Realisierungsformen der elektromagnetischen Stellvorrichtung, bei welchen die Spulenmittel, weiter bevorzugt zylindrisch, die Ankereinheit und die Kerneinheit umschließen und durch ihre Mittelachse die Bewegungslängsachse der Ankereinheit definieren.
In der elektrotechnischen Realisierung ist es bevorzugt, die erste Spulenwicklung so auszugestalten, dass sich ein Ohm'scher Widerstand von < 20 Ohm ausbildet, weiter bevorzugt kann dieser 6 Ohm oder weniger betragen (bei Induktivitäten im Bereich zwischen ca. 25 mH für Spulen < 20 Ohm bis zu 4 mH und herab zu 0,8 mH für Spulen <6 Ohm). Entsprechend sind gute Dynamikeigenschaften zu realisieren. Dagegen ist es weiterbildungsgemäß bevorzugt, die zweite Spulenwicklung mit einem Ohm'schen Widerstand oberhalb von 100 Ohm, bevorzugt ist insbesondere auch ein Widerstand oberhalb von 400 Ohm und < 1500 Ohm, auszugestalten, so dass ein gut auswertbares Detektionssignal erzeugbar ist und, im Zusammenwirken mit der ersten Spulenwicklung, keine signifikante Stromteilung während der Bestromung erfolgt. Hier liegen typische Induktivitäten zwischen ca. 1 H (400 Ohm Sensorspule) und ca. 7 H (500 Ohm).
Einen zusätzlichen Vorteil bringt hier die zusätzlich weiterbildungsgemäß vorzusehende zweite Diode, eingeschleift in den der zweiten Spulenwicklung zugehörigen Zweig: durch der ersten Diode (im Zweig der ersten Spulenwicklung) entgegengesetzte Polarität verhindert diese zweite Diode (als Zenerdiode realisiert) jeglichen Stromfluss während der Bestromung, ermöglicht gleichzeitig, bei dem erfindungsgemäß entgegengesetzt ausgestatteten Wicklungssinn bzw. der entsprechenden Kontaktierung, einen Stromfluss des Detektionssignals zu den Anschlüssen des Zweipols.
Im Ergebnis erreicht damit die vorliegende Erfindung eine signifikante Verbesserung der Bewegungs- bzw. Positionserfassung von Ankermitteln im Rahmen der gattungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung, wobei deutlich verbesserte Dynamikeigenschaften erreicht werden und die Vorrichtung nach wie vor lediglich zweipolig beschaltet wird, mit anderen Worten, etwa zur Verbindung mit vorgeschalteten Steuergeräten keine zusätzlichen Anschlüsse oder Leitungen erforderlich sind.
Damit eignet sich die vorliegende Erfindung in herausragender Weise zur Verwendung als Betätigung für Nockenwellenverstellvorrichtungen, ist jedoch auf diesen bevorzugten Verwendungszweck nicht beschränkt. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in Fig. 1 (a), (b), ein Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Spulenmittel einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit lediglich einer, der ersten Spulenwicklung zugeordneten Diode, im Bestromungszustand (a) bzw. im Rückwurfzustand (b) bei induzierter Rückwurfspannung und unbestromter Hauptspule;
Fig. 2(a), (b) ein Ersatzschaltbild der Spulenmittel einer zweiten, alternativen Ausführungsform der Erfindung mit einer zusätzlichen zweiten Diode, zugeordnet der zweiten Spulenwicklung, im Bestromungszustand (a) bzw. im
Rückwurfzustand (b) bei induzierter Rückwurfspannung und unbestromter Hauptspule;
Fig. 3 bis 5 schematische Längsschnittdarstellungen der elektromagnetischen Stellvorrichtung mit möglichen geometrisch-konstruktiven Realisierungsvarianten der ersten bzw. zweiten Spulenwicklung.
So zeigen die Fig. 3 bis 5 jeweils als hälftiger Längsschnitt durch eine radial-symmetrisch realisierte elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform drei Varianten, wie die erste bzw. zweite Spulenwicklung einander benachbart vorgesehen sein können: Eine aus einem langgestrecken Ankerstößel 10, einem scheibenförmigen, axial-magnetisierten Permanentmagneten 12 sowie einem Paar beidseits der Permanentmagnetscheibe 12 vorgesehenen Flussleitscheiben 14, 16 gebildete Ankereinheit ist entlang einer axialen Richtung 18 (insoweit entsprechend der Symmetrieachse der Fig. 3 bis 5) und relativ zu einer stationären Kerneinheit 20 bewegbar geführt. Die Ankereinheit wirkt zusammen mit einem eingriffsseitigen Stößel 22, der durch die permanentmagnetische Haftkraft des Permanentmagneten 12 an einem stirnseitigen Ende des Ankerstößels 12 lösbar haftend gehalten ist. Am dem Permanentmagneten 12 gegenüberliegenden Eingriffsende 24 ist der Eingriffsstößel zum Zusammenwirken mit einem (nicht gezeigten) Stellpartner, insbesondere einer Stellnocke einer Nockenwellenverstellung für einen Verbrennungsmotor, ausgebildet und tritt zu diesem Zweck aus einer stirnseitigen Gehäusefläche 26 eines die Einheit zylindrisch umgebenden Gehäuses 28 heraus. Eine Bodenscheibe 30 bzw. ein stirnseitiges Flussleitelement 32 schließen magnetische Kreise über das Gehäuse, wobei in der gezeigten Anordnung (und in ansonsten bekannter Weise) als Reaktion auf die Bestromung einer ersten Spulenwicklung 34 eine abstoßende Kraft zwischen der Kerneinheit 20 und der Permanentmagnet-Baugruppe 14, 12, 16 entsteht, welche die Ankereinheit und mithin den ansetzenden Ankerstößel 22 aus ihrer in den Fig. 3 bis 5 gezeigten Ruheposition in eine Eingriffsstellung (in der Figurenrichtung abwärts) treibt, so dass das Eingriffsende 24 mit der Stellnut zusammenwirken kann.
Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist, der ersten Spulenwicklung 34 benachbart, eine zweite Spulenwicklung 36 auf, welche bei der Realisierungsform der Fig. 3 der Spulenwicklung 34 in Richtung auf die Permanentmagneteinheit axial benachbart ist. Eine derartige Realisierungsform bringt die als Detektorspule (Sensor) für die Ankerbewegung im unbestromten Zustand wirkende zweite Spulenwicklung 36 relativ nah an die Permanentmagneteinheit 14, 12, 16, so dass hohe Detektionsqualität sichergestellt ist. Als Variante zur geometrischen Konfiguration der Fig. 3 zeigt die Fig. 4 (bei für identische bzw. äquivalente Bauelemente und Funktionsgruppen gleichen Bezugszeichen) eine alternative Anordnung der zweiten Spulenwicklung benachbart zur ersten Spulenwicklung; hier liegt die zweite Spulenwicklung 36, wiederum axial benachbart, am der Permanentmagneteinheit gegenüberliegenden Ende der ersten Spuleneinheit 36; diese Variante ist besonders einfach kontaktierbar.
Die Variante der Fig. 5, wiederum bei ansonsten identischer bzw. äquivalenter Realisierung der übrigen Komponenten bzw. Baugruppen, sieht die zweite Spulenwicklung 40 radial außen liegend und aufgewickelt auf der ersten Spulenwicklung 34 vor und ermöglicht so vorteilhaft zusätzlichen axialen Bauraum. Allen gezeigten Realisierungsformen der Fig. 3 bis 5 ist gemeinsam, dass ein (nicht gezeigter) Spulenhalter, typischerweise realisiert aus einem geeigneten, magnetisch nicht leitenden Kunststoff-Spritzgussmaterial, beide Spulenwicklungen in den jeweils gezeigten Konfigurationen trägt. Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen als zueinander alternative Ausführungsformen die Beschaltung und Konfiguration der jeweiligen Spulenwicklungen. So zeigt, als erstes Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Erfindung, die Fig. 1 im Schaltbild, wie die erste Spulenwicklung (ersatzhalber dargestellt durch ihren Spulenwiderstand Rhiaupt sowie ihre Induktivität LHaUpt) einen ersten Zweig eines Zweipols ausbildet, dem eine erste Diode D1 zugeordnet ist: Die zur Bestromung mit dem Zweck des Antriebs der Ankereinheit vorgesehene erste Wicklung 34 wird mit einer Polarität bestromt, dass die abfallende Spannung UHaupt entlang der Flussrichtung der Diode D1 verläuft, mit anderen Worten, während der Bestromung leitet D1 . Das erste Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verdeutlicht ferner einen zweiten, der zweiten Spulenwicklung 36 (bzw. 40) entsprechenden Zweig im dargestellten Ersatzschaltbild, wobei diese zweite Spulenwicklung ersatzhaft dargestellt ist durch ihren Ohm'schen Spulenwiderstand Rsensor bzw. ihre Induktivität LSensor- Der Wicklungssinn dieser Spulenwicklung ist so eingerichtet, dass eine der Bestromungsspannung Uhiaupt entgegengesetzte Induktions- bzw. Detektorspannung Usensor (induziert durch die Ankerbewegung im Nicht-Bestromungszustand) entsteht, entsprechend den Pfeilrichtungen in der Fig. 1 . Zugegriffen wird auf den Zweipol durch die zwei Anschlüsse A1 , A2, insoweit vergleichbar einem herkömmlichen zweipoligen Anschluss an ein Steuergerät. Der Stromfluss durch den der Spulenwicklung 36 entsprechenden Zweig erfolgt entlang Pfeilrichtung lSensor- Die Fig. 1 (a) zeigt den Bestromungszustand der Hauptspule 34 (etwa bei einer konstruktiven Realisierung nach einer der Varianten der Fig. 3 bis 5); es leitet die Diode D1 . Da zudem die Wicklungen 34 und 36 relativ zueinander so ausgestaltet sind, dass ein Ohm'scher Widerstand der Wicklung 36 (mit etwa 400 bis 1500 Ohm) deutlich größer als ein Ohm'scher Widerstand der ersten Wicklung 34 (mit etwa 0,1 bis 6 Ohm) ist, ist der Stromfluss im Zweig 36 während der Bestromung vernachlässigbar. Dagegen führt, nach Beendigung der Bestromung durch Uschaiten gemäß Fig.1 (b) und während des Rückwurf- bzw. Detektionsbetriebs (bei Bewegung der Ankereinheit) die Diode D1 durch ihre Polarität dazu, dass das Detektionssignal USensor über den Anschlüssen des Zweipols A1 , A2 abgegriffen und weiterverarbeitet werden kann und nicht durch den Zweig der ersten Spulenwicklung 34 fließt, da insoweit die Diode D1 sperrt. Dies symbolisiert die Fig. 1 (b) dadurch, dass der Stromfluss I Haupt durch den Zweig 34 gesperrt ist; das Rückwurfsignal wird dabei nicht über der Hauptspule abgebaut. Das zweite Ausführungsbeispiel der Fig. 2, insoweit als Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels (wiederum mit identischen Bezugszeichen für identische bzw. äquivalente Einheiten) ordnet dem Zweig der zweiten Spulenwicklung 36 eine zweite Diode D2 zu, welche während des Bestromungsbetriebs (Stromfluss durch die erste Spulenwicklung) sperrt, so dass kein Stromfluss durch die als Sensorspule dienende zweite Spulenwicklung erfolgt. Während des Detektorbetriebs öffnet D2, so dass insoweit das Detektionssignal (mit gesperrter D1 ) fließen und wiederum über A1 , A2 abgegriffen werden kann. Die zweite Diode D2 ist als Zenerdiode realisiert und so ausgelegt, dass sie bei der Bestromungs- bzw. Schaltspannung Uschaiten sperrt, jedoch eine Durchbruchspannung aufweist, die geringer ist als die induzierte Spannung Usensor- Damit wird, wie Fig. 2(a) symbolisiert, im Bestromungsbetrieb Isensor gesperrt, so dass kein Gegenfeld durch den Spulenzweig 36 entstehen kann. Gleichermaßen verhindert die Diode D1 , analog zum ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , dass das Rückwurfsignal USensor über die Hauptspule 34 abgebaut wird; der induzierte Rückwurfstrom der Hauptspule wird gesperrt. Typische Realisierungsvarianten der Wicklungen bei einem Stellhub von 3 mm bis 6 mm, einer typischen Stellkraft im Bereich von 3 N bis 15 N und einem typischen Außendurchmesser der Gehäuseschale von ca. 20 mm liegen zwischen 50 und 500 Windungen für die erste Spulenwicklung und zwischen ca. 800 und ca. 8000 Wicklungen für die zweite Wicklung, was zu typischen Induktivitäten von 0,8 mH bis 25 mH bzw. 1 H bis 70 H führt.
Die geometrisch-konstruktiven Realisierungsformen der Fig. 3 bis 5 zeigen eine bistabile Vorrichtung; es zeigt sich, dass in einem ausgefahrenen (Eingriffs)-Zustand der Ankereinheit die Permanentmagneteinheit 14, 12, 16 am stirnseitigen Gehäuseende 26, 32 (durch Permanentmagnetkraft) festhält, auch in einem unbestromten Zustand der Spulenmittel. Eine typische Rückstellung erfolgt dann in für die Nockenwellenverstellung üblicher Weise durch Wirkung der mit dem Eingriffstößel 22 zusammenwirkenden Stellnut. Gerade auch eine solche weiterbildungsgemäß bevorzugte Bistabilität realisiert die Vorteile der vorliegenden Erfindung, zuverlässig mittels der zweiten Spulenwicklung das Bewegungs- bzw. Stellverhalten der Ankereinheit detektieren zu können.

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit
relativ zu stationären Spulenmitteln (34, 36 ; 34, 40) als Reaktion auf eine Bestromung derselben antreibbaren Ankermitteln ( 1 0, 1 2, 1 4, 1 6, 22), deren Bewegung ( Uschaiten) und/oder Stellposition relativ zu stationären, mit den Spulenmitteln zusammenwirkenden Kernmitteln (29) durch den Spulenmitteln zugeordnete Erfassungsmittel detektierbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spulenmittel eine erste, zum magnetischen Zusammenwirken mit den Ankermitteln mittels der Bestromung ausgebildete Spulenwicklung (34) sowie eine zweite, zum Erzeugen eines Detektionssignals zeitlich außerhalb der Bestromung für die Erfassungsmittel ausgebildete Spulenwicklung (36 ; 40) aufweisen, die erste und die zweite Spulenwicklung zum Ausbilden eines Zweipols eine Parallelschaltung bilden,
und dem Zweipol elektronische Schalt- und/oder Sperrmittel (D 1 , D2) so zugeordnet sind, dass diese außerhalb der Bestromung ein Kurzschließen des Detektionssignals ( USensor) über die erste Spulenwicklung verhindern.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spulenwicklung einen einander entgegengesetzten Wicklungssinn und/oder eine entgegengesetzte Kontaktierung aufweisen und/oder eine Polarität der Bestromung einer Polarität des Detektionssignals entgegengesetzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenvorrichtung der ersten Spulenvorrichtung benachbart, insbesondere auf einem gemeinsamen Spulenträger, vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenwicklung der ersten Spulenwicklung axial benachbart vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenwicklung der ersten Spulenwicklung radial benachbart, insbesondere radial auswärtig aufliegend, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenwicklung einen Ohm'schen Widerstand < 20 Ohm, bevorzugt < 10 Ohm, weiter bevorzugt < 6 Ohm, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenwicklung einen Ohm'schen Widerstand aufweist, der > 100 Ohm, insbesondere > 400 Ohm, und < 3000 Ohm, insbesondere < 1500 Ohm, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Ohm'schen Widerstände der zweiten Spulenwicklung bezogen auf die erste Spulenwicklung > 40, bevorzugt > 100, weiter bevorzugt > 300, ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrmittel eine in einen der ersten Spulenwicklung zugehörigen Zweig des Zweipols eingeschleifte erste Diode (D1 ) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrmittel eine in einen der zweiten Spulenwicklung zugehörigen Zweig des Zweipols eingeschleifte zweite Diode (D2) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Ankermitteln magnetisch mit den Kernmitteln zusammenwirkende Permanentmagnetmittel (12) zugeordnet sind, die als Reaktion auf die Bestromung eine abstoßende Kraft auf die Kernmittel erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die stößelartig ausgebildeten Ankermittel ein Eingriffsende (24) aufweisen, welches zum Zusammenwirken mit einem eine Nockenwellenverstellung eines Verbrennungsmotors ermöglichenden Stellpartner ausgebildet ist, wobei bevorzugt der Stellpartner zum Realisieren einer Rückführung der Ankermittel ausgebildet sind.
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