EP3394866A1 - Ankerhubbestimmung durch messung magnetischer hysteresekurven - Google Patents

Ankerhubbestimmung durch messung magnetischer hysteresekurven

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EP3394866A1
EP3394866A1 EP16801793.7A EP16801793A EP3394866A1 EP 3394866 A1 EP3394866 A1 EP 3394866A1 EP 16801793 A EP16801793 A EP 16801793A EP 3394866 A1 EP3394866 A1 EP 3394866A1
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EP
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electromagnet
valve
rru
slope
armature
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Gerald Aydt
Markus Rueckle
Klemens Steinberg
Oezguer Tuerker
Marco Beier
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Robert Bosch GmbH
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    • H01F2007/1861—Monitoring or fail-safe circuits using derivative of measured variable

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the armature stroke on an electromagnetically actuated valve and a method for
  • armature stroke should be between a lower threshold and an upper threshold. If the armature stroke is too small, the valve throttles. If the armature stroke is too big, can be amplified
  • DE 10 2012 206 484 A1 and DE 10 2013 223 121 A1 disclose electromagnetic fuel injectors with measuring systems for the armature stroke. These measuring systems transmit the lifting movement of the armature in each case with additional transmission elements to a measuring device.
  • valve body contains means for implementing a movement of the armature in a Opening or closing the valve.
  • the electromagnet and the armature are inserted into the valve body.
  • Valve body a magnetic hysteresis curve of a combination of
  • Curve section of the hysteresis curve in the unsaturated state is determined.
  • the test anchor preferably has the same dimensions and the same magnetic properties as the armature of the valve.
  • the slope is rru from the slope determined rru * a corresponding to the first cam section curve portion of a hysteresis curve of the fully assembled valve having permanently touching the electromagnet armature.
  • UK is the terminal voltage across the electromagnet
  • I the current through the
  • Electromagnet and R the ohmic resistance of the electromagnet.
  • Electromagnet shows a typical ferromagnetic hysteresis loop, since at least in the ferromagnetic core of the electromagnet and in the likewise ferromagnetic armature each magnetic energy is stored. If an air gap between the armature and the electromagnet is formed by the drop of the armature from the electromagnet to a rest position, this also contains
  • Air gap is a magnetic energy amount ⁇ , which depends on the width of the
  • Hysteresis curve of the magnetic circuit with permanently attached to the electromagnet anchor more measured.
  • the restoring force of the valve which may be, for example, a spring force, outweighs the magnetic force that drives the armature against the armature
  • the inventors have recognized that the curve portion of the hysteresis curve with permanently attached to the electromagnet armature, which represents the unsaturated state of the electromagnet and in which the flow ⁇ im
  • the pitch rru obtained prior to assembly of the valve is a very important reference value which, after installation of the valve, makes it possible to measure the armature stroke AH of the valve in a particularly simple and clear manner.
  • n is the number of turns of the coil of the electromagnet.
  • ⁇ 0 is the magnetic permeability of the vacuum.
  • Ai and A2 are cross-sectional areas of the air gap, which are independent of its width, ie the armature stroke AH.
  • Hysteresis curve of the magnetic circuit which is received in the fully assembled state of the valve, referred to as the "hysteresis curve of the valve".
  • the slope rru * is determined via a predetermined first functional relationship from the slope rru.
  • rr * is identical to rru. This approximation is already accurate enough for many applications.
  • the valve body, and / or the means for implementing a movement of the armature in an opening or closing of the valve contain ferromagnetic materials, these materials influence the magnetic flux ⁇ of the magnetic circuit, and thus also rru * .
  • the first functional relationship can be refined to the effect that this influence is taken into account. The more exactly rru * is determined, the more accurately can be determined from this the armature stroke AH.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is to determine the first functional relationship to at least one fully assembled Valve the armature detected on the electromagnet and recorded in this state, the hysteresis curve.
  • This valve is a special test specimen, which differs from the series-produced valves in that the armature stroke AH is always zero and the valve can not shift. Apart from this difference, the valve behaves magnetically just like the series-produced valves.
  • the magnetic circuit of a valve receives and determines the first hysteresis curve before assembly, and after assembly of this magnetic circuit into the valve, the second hysteresis curve is established
  • the slope rru * can also be obtained, for example, from the slope rru by calculating the influence of further ferromagnetic materials in the valve on the magnetic circuit formed by the electromagnet and the armature using numerical methods, for example the finite element method.
  • rru * can also be refined by comparing reference values of further variables determined prior to assembly of the valve with values of these variables determined after assembly of the valve.
  • the slope nri2 a second linear curve portion of the hysteresis curve, which is recorded on the combination of the electromagnet with the test anchor, determined in the saturated state.
  • the current value lo is advantageously determined in addition, in which a linear continuation of the second curve section to the current axis I intersects the current axis I.
  • Electromagnet attracted, so that the magnetic circuit is so far in the same state as in the reference measurement on the combination of the electromagnet and the test anchor.
  • Comparative value to be obtained is advantageously added after mounting the valve, a further magnetic hysteresis curve of the valve.
  • the slope nri3 of a second, substantially linear curve section of the further magnetic hysteresis curve, which represents the saturated state, is determined. This second curve section corresponds to the second
  • Curve section of the magnetic hysteresis curve measured before assembly of the valve on the combination of solenoid and test anchor.
  • the current value Ii in which a linear continuation of the second curve section to the current axis I intersects the current axis I, is advantageously additionally determined.
  • the inventors have recognized that the comparison of the current value Ii with the current value Io offers an additional possibility of quality control for the magnetic properties of the components used in the valve. In particular, it can be monitored whether the armature, and / or between the armature and the electromagnet
  • RLSS residual air gap disc
  • the absolute value difference .DELTA. ⁇ between the current value Ii and the current value lo is determined and classified the valve as faulty when this difference in magnitude exceeds a predetermined threshold.
  • the slopes nru and nri2 become a correlation and / or a second functional one
  • the second functional relationship advantageously sets the ratio m2 / mi in a linear relationship to the current value lo.
  • a parameterized approach of the form
  • I 0 k l - + k 0 (3) be set up with two parameters ko and ki.
  • the inventors have found in series studies of electromagnets that although rru, nri2 and lo taken by themselves subject to a sample scattering. However, within a charge of electromagnets of nominally identical geometry, made in nominally identical fashion, the correlation between rru, nri2 and lo is valid to a good approximation according to equation (3) with the same parameters ko and ki.
  • the most important production parameters which have an influence on the parameters ko and ki are the magnetic powder used for the production of the magnet core of the electromagnet, the pressing density as well as a possible heat treatment of the magnetic core.
  • Equations (1) and (2) do not directly use the reference value rru, but to determine rru * with the help of the second functional relationship between rru and nri2 and optionally also lo. If, for example, the approach according to equation (3) is made for this, the functional relationship is characterized by the parameters ko and ki.
  • the parameters ko and ki obtained before the assembly of the valve can be utilized by determining the slope nri3 of a curve segment of the hysteresis curve representing the saturated state on the assembled valve and substituting it as nri2 in equation (3).
  • Test anchor determined before mounting the valve Reference value rru.
  • the slope is rru, the slope ⁇ 2, the slope rru * , and / or the first functional
  • electromagnets can then be particularly easily decoupled from the mass production of electromagnetically actuated valves.
  • a work may pre-produce electromagnets for several other works, the latter of which are different types of
  • Information carrier may include, for example, a data matrix code, such as a QR code.
  • decoupling of the production of electromagnets on the one hand and valves on the other hand can be simplified in a further particularly advantageous embodiment of the invention by a plurality of electromagnets according to the value of the slopes rru and / or ⁇ 2, and / or after the functional
  • the functional relationship can be classified, for example, using the parameters ko and ki in equation (3).
  • the classification discretizes the accuracy of the reference values for the electromagnet, but accelerates the mass production, since electromagnets from a class can each be further processed in identical form and no longer has to go to magnet-individual reference values. Furthermore, conspicuous electromagnets that can not be assigned to a class according to the specification can be rejected from the outset as scrap.
  • the invention also relates to a method for determining the armature lift AH on an electromagnetically operable valve.
  • This valve comprises an electromagnet, a movable armature by the electromagnet and preferably a valve body, within which the electromagnet, the armature and means for implementing a movement of the armature are arranged in an opening or closing of the valve.
  • Curve section of the hysteresis curve of the valve in the unsaturated state determined. In this condition, the armature is effective through the valve
  • the magnetic energy ⁇ in the air gap is calculated from the difference between the first slope m o and a second gradient rru * of the first curve section of FIG
  • Hysteresis curve corresponding first, essentially linear
  • Curve section of another magnetic hysteresis curve which would have the valve with anchored to the electromagnet anchor evaluated.
  • at least one reference value rru determined before insertion of the electromagnet into the valve body can be used for this gradient rr * .
  • the reference value rru may have been obtained in particular in the context of the production method described above.
  • the methods disclosed in connection with the manufacturing method are available for determining rru * using the reference value rru.
  • the second pitch rru from the slope nri3 a second linear curve portion of the magnetic hysteresis of the valve in the saturated state in
  • Hysteresis curve determined.
  • the correlation, or the functional relationship also be determined before the onset of the electromagnet in the valve body and preserved as a reference value.
  • the functional relationship according to equation (3) may have been conserved in terms of the parameters ko and ki.
  • the manufacturing process with which before the installation of the valve one or more reference values are obtained and conserved on the electromagnet, and the measuring method with which after mounting the valve advantageously using these reference values on the magnetic energy ⁇ in the air gap between the armature and electromagnet, the armature stroke AH is evaluated work synergistically hand in hand to allow in the end an accurate determination of the anchor stroke AH. Due to the advantageous gap-free measurement of hysteresis curves on all electromagnets used
  • the armature stroke AH determined according to the invention can be used particularly advantageously as feedback in order to adjust the armature stroke at the factory in the manufacture of electromagnetically actuated valves for fuel injectors and to monitor them during operation.
  • FIG 1 Schematic representation of an electromagnetically actuated valve 1 (Figure la) and a combination 6 of solenoid 2, 2a, 2b and test anchor 3a ( Figure lb);
  • FIG. 2 shows a detail of the hysteresis curve 10 measured on the combination 6.
  • Hysteresis curve 20 FIG. 4 Functional relationship 8 between the slope ratio determined in a series examination of electromagnets 2 and the current value lo.
  • FIG. 5 Complete hysteresis curve 20 of the valve 1.
  • FIG. 6 Exemplary influences of specimen scattering between
  • Electromagnet 2 and test anchor 3a Electromagnet 2 and test anchor 3a.
  • the valve 1 shown here by way of example as a 2/2-way valve comprises a valve body 5 with an inlet la and an outlet 1b.
  • the valve 1 switches the flow of a medium between the inlet la and the outlet 1b.
  • the valve body 5 a For this purpose, within the valve body 5 a
  • Electromagnet 2 is arranged, which consists of a ferromagnetic magnetic core 2a and a coil 2b wound on the ferromagnetic magnetic core 2a. On the electromagnet 2 is a machine-readable
  • Information carrier 7 attached, which contains a barcode with reference values. These reference values were measured on a combination 6 of the electromagnet 2 with a test anchor 3a before inserting the electromagnet 2 in the
  • Valve body 5 measured.
  • an armature 3 is arranged relative to the electromagnet 2 so that the electromagnet 2 can attract the armature 3.
  • Coupling mechanism 4a is then the actuator 4c of the valve 1 against the force exerted by the valve spring 4b restoring force of the switching position shown in Figure la, in which the valve 1 is closed, in the switching position, not shown in Figure la, in which the valve 1 is opened , convicted.
  • Coupling mechanism 4 a, the valve spring 4 b and the actuator 4 c together form the means 4, which convert the movement of the armature 3 in an opening or closing of the valve 1.
  • the armature 3 In the closed switching position of the valve 1 shown in Figure la, there is an air gap between the armature 3 and the electromagnet 2 2. However, the armature 3 is attracted to the electromagnet 2, this air gap disappears 9.
  • the width of the air gap 9 in the closed position, in which the armature 3 has dropped from the electromagnet 2 corresponds to the armature stroke AH of the valve. 1
  • the electromagnet 2 and the armature 3 together form a magnetic circuit which is permeated by a magnetic flux ⁇ .
  • a magnetic flux ⁇ Of this magnetic flux ⁇ , two flow lines are shown by way of example in FIG. 1a.
  • FIG. 1b shows the combination 6 of the electromagnet 2 and the test anchor 3a, on which at least the pitch rru of a curve section 11 of FIG
  • Hysteresis curve 10 is determined in the unsaturated state as a reference value.
  • the test anchor 3a is also held in contact with the magnetic core 2a of the electromagnet 2 by means not shown in FIG. 1b, even if the coil 2b of the electromagnet 2 is not energized.
  • Figure 2 shows a section of the hysteresis curve 10, which was recorded on the combination 6 of the electromagnet 2 and the test anchor 3a.
  • the magnetic flux ⁇ is above the current I through the coil 2b of FIG.
  • Electromagnet 2 applied.
  • a first curve portion 11 which represents the unsaturated state of the electromagnet 2, the runs
  • the hysteresis curve 10 also runs substantially linearly with a slope ⁇ 2, so that in this curve section 12 approximately ⁇ ( ⁇ ) with a constant C2.
  • FIG. 3 shows a section of the hysteresis curve 20 which was received on the fully assembled valve 1.
  • the magnetic flux ⁇ in the magnetic circuit of valve 1 formed by electromagnet 2 and armature 3 is applied via current I through coil 2 b of electromagnet 2.
  • Electromagnet 2 went out and the current I successively reduced.
  • the hysteresis curve 20 has a first in the unsaturated state
  • Curve portion 21 in which it is substantially linear with a
  • ⁇ ( ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ + ⁇ with a constant c o .
  • the hysteresis curve 20 also runs substantially linearly with a slope m3.
  • approximately ⁇ ( ⁇ ) holds with a constant C3.
  • the linear continuation 23 of the curve section 22 with the same slope nri3 to the current axis I intersects the current axis I at the current value Ii.
  • Hysteresis curve 20 and the first curve section 31 of the hysteresis curve 30 From the energy ⁇ the sought anchor stroke AH can be determined.
  • FIG. 4 shows the second functional relationship 8 between the
  • Electromagnets 2 which are conspicuous in this way, are preferably sorted out as scrap.
  • FIG. 5 shows, for a better understanding, a complete hysteresis curve 20 of the valve 1 with symmetrical modulation. Starting from the highest current value I in the saturated state, first the branch 28 is towards lower
  • Solenoid 2 drops and the air gap 9 is formed between the armature 3 and the electromagnet 2. This is reflected in a discontinuous decrease in the magnetic flux ⁇ .
  • the branch 28 of the hysteresis curve 20 then merges into the first curve section 21 in the unsaturated state.
  • the magnetic flux ⁇ is substantially linear with the current I.
  • the branch 28 of the hysteresis curve 20 merges into an attractive curve section.
  • the armature 3 is attracted to the electromagnet 2, which shows in a small discontinuity in the curve.
  • the branch 29 of the hysteresis curve 20 is passed through.
  • the hysteresis curve 20 again merges into a sloping curve section 24 in which the armature 3 drops off the electromagnet 2 at the point 27b.
  • the branch 29 of the hysteresis curve 29 passes into the upper right quadrant, the next attractive one begins Curve section 25.
  • the armature 3 is again to the
  • Electromagnet 2 tightened.
  • FIG. 6 illustrates, on the basis of a few examples, how the specimen scattering between different electromagnets 2 can influence the course of the hysteresis curve 10 of a combination 6 from the respective electromagnet 2 with the test anchor 3a.
  • Hysteresis curves 10 and 10a identical.
  • the deviation in the composition of the magnetic cores 2a does not change the slope nri2 in the second curve section 12 nor the current value lo at which the linear
  • FIG. 6b shows the opposite case, that within a series of five electromagnets 2, the hysteresis curves 10, 10a-10d respectively measured in the combination 6 with a test anchor 3a differ greatly only in the saturated state, while the hysteresis curves 10, 10a-10d in the unsaturated one Condition practically parallel to each other.
  • the second curve sections 12 and 12a of the hysteresis curves 10 and 10a in the saturated state have different slopes ⁇ 2, and the linear ones
  • FIG. 6c shows the case where, within a series of three electromagnets 2, the hysteresis curves 10, 10a, 10b measured in combination 6 with a test anchor 3a both in their slopes rru in the unsaturated region and in their slopes nri2 in the second
  • the manufacturing method can be used in a simplified form. It can then be dispensed with to record a hysteresis curve 10 at each individual electromagnet 2. Instead, it is sufficient to measure a sample of a few electromagnets 2 of a batch of nominally identically dimensioned and manufactured electromagnets 2 and to determine therefrom the functional relationship 8 according to equation (3). For example, reference valves may be used for this sample, in which the armature 3 is fixed to the electromagnet 2 as a test anchor 3a. rru can then be evaluated for all other electromagnets 2 from the batch according to equation (4).

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils (1) aus einem Elektromagneten (2, 2a, 2b), einem durch den Elektromagneten (2, 2a, 2b) bewegbaren Anker (3) und einem Ventilkörper (5) mit Mitteln (4, 4a, 4b, 4c) zur Umsetzung einer Bewegung des Ankers (3) in ein Öffnen oder Schließen des Ventils (1), wobei der Elektromagnet (2, 2a, 2b) und der Anker (3) in den Ventilkörper (5) eingesetzt werden, wobei vor dem Einsetzen des Elektromagneten (2, 2a, 2b) in den Ventilkörper (5) eine magnetische Hysteresekurve (10) einer Kombination (6) des Elektromagneten (2, 2a, 2b) mit einem an diesem Elektromagneten (2, 2a, 2b) anliegenden Prüfanker (3a) aufgenommen wird, dass die Steigung m1 eines ersten, im Wesentlichen linearen Kurvenabschnitts (11) der Hysteresekurve (10) im ungesättigten Zustand ermittelt wird und dass aus der Steigung m1 die Steigung m1* eines zu dem ersten Kurvenabschnitt (11) korrespondierenden Kurvenabschnitts (31) einer Hysteresekurve (30) des fertig montierten Ventils (1) mit dauerhaft am Elektromagneten (2, 2a, 2b) anliegendem Anker (3) ermittelt wird. Verfahren zur Bestimmung des Ankerhubs AH, wobei aus dem Unterschied zwischen der ersten Steigung mo und der zweiten Steigung m1* die magnetische Energie ΔΕ im zwischen dem Anker (3) und dem Elektromagneten (2, 2a, 2b) gebildeten Luftspalt (9) ausgewertet wird.

Description

Beschreibung Titel:
Ankerhubbestimmung durch Messung magnetischer Hysteresekurven
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ankerhubs an einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen Ventils.
Stand der Technik
Bei modernen schnellschaltenden elektromagnetischen Ventilen, wie sie beispielsweise in Dieseleinspritzventilen zum Einsatz kommen, ist eine genaue Kenntnis bzw. Einstellung des Ankerhubs für eine optimale Funktionalität des Ventils notwendig. Der Ankerhub sollte zwischen einer unteren Schwelle und einer oberen Schwelle liegen. Ist der Ankerhub zu klein, kommt es zu einem Androsseln des Ventils. Ist der Ankerhub zu groß, können verstärkt
Schließpreller auftreten.
Aus der DE 10 2012 206 484 AI und aus der DE 10 2013 223 121 AI sind elektromagnetische Kraftstoffinjektoren mit Messsystemen für den Ankerhub bekannt. Diese Messsysteme übertragen die Hubbewegung des Ankers jeweils mit zusätzlichen Übertragungselementen zu einer Messeinrichtung.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Herstellung eines
elektromagnetisch betätigbaren Ventils aus einem Elektromagneten, einem durch den Elektromagneten bewegbaren Anker und einem Ventilkörper entwickelt. Der Ventilkörper enthält Mittel zur Umsetzung einer Bewegung des Ankers in ein Öffnen oder Schließen des Ventils. Der Elektromagnet und der Anker werden in den Ventilkörper eingesetzt.
Erfindungsgemäß wird vor dem Einsetzen des Elektromagneten in den
Ventilkörper eine magnetische Hysteresekurve einer Kombination des
Elektromagneten mit einem an diesem Elektromagneten anliegenden Prüfanker aufgenommen. Die Steigung rru eines ersten, im Wesentlichen linearen
Kurvenabschnitts der Hysteresekurve im ungesättigten Zustand wird ermittelt. Dabei hat der Prüfanker vorzugsweise die gleichen Abmessungen und die gleichen magnetischen Eigenschaften wie der Anker des Ventils.
Aus der Steigung rru wird die Steigung rru* eines zu dem ersten Kurvenabschnitt korrespondierenden Kurvenabschnitts einer Hysteresekurve des fertig montierten Ventils mit dauerhaft am Elektromagneten anliegendem Anker ermittelt.
Der Elektromagnet und der Anker bilden gemeinsam einen Magnetkreis mit einem magnetischen Fluss Ψ, der beispielsweise direkt über eine zusätzliche Messspule oder indirekt durch zeitliche Integration der im Elektromagneten induzierten Spannung Uind= UK-l- R bestimmt werden kann. Hierin sind UK die Klemmenspannung über dem Elektromagneten, I der Strom durch den
Elektromagneten und R der Ohmsche Widerstand des Elektromagneten. Der Ohmsche Widerstand R des Elektromagneten kann beispielsweise in einer Phase konstanten Stroms I gemäß R=lVl bestimmt werden. Die Abhängigkeit Ψ(Ι) des magnetischen Flusses Ψ vom Strom I durch den
Elektromagneten zeigt eine typische ferromagnetische Hystereseschleife, da mindestens im ferromagnetischen Kern des Elektromagneten sowie im ebenfalls ferromagnetischen Anker jeweils magnetische Energie gespeichert wird. Wird durch den Abfall des Ankers vom Elektromagneten in eine Ruhelage ein Luftspalt zwischen dem Anker und dem Elektromagneten gebildet, enthält auch dieser
Luftspalt einen magnetischen Energiebetrag ΔΕ, der von der Breite des
Luftspalts und somit vom gesuchten Ankerhub AH abhängt. Dieser
Energiebeitrag ΔΕ schlägt sich in einer Abänderung der ferromagnetischen Hysteresekurve nieder und lässt sich somit aus dem Vergleich von
Hysteresekurven, die ohne und mit Luftspalt gemessen wurden, auswerten. Ist das Ventil jedoch erst einmal fertig montiert, kann keine vollständige
Hysteresekurve des Magnetkreises mit dauerhaft am Elektromagneten anliegendem Anker mehr gemessen werden. Speziell in dem Kurvenabschnitt der Hysteresekurve, der den ungesättigten Zustand des Elektromagneten repräsentiert und in dem der Fluss Ψ im Wesentlichen linear vom Strom I abhängt, überwiegt die Rückstellkraft des Ventils, die beispielsweise eine Federkraft sein kann, die magnetische Kraft, die den Anker an den
Elektromagneten anzieht. Der Anker kehrt also in seine Ruhelage zurück, und der eigentlich zu untersuchende Zustand, in dem der Anker am Elektromagneten anliegt, geht verloren. Um eine Hysteresekurve in diesem Zustand aufzunehmen, wäre es erforderlich, den Anker gegen die Rückstell kraft mechanisch am
Elektromagneten festzuhalten. Hierfür ist der Anker im fertig montierten Zustand des Ventils aber nicht mehr zugänglich.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Kurvenabschnitt der Hysteresekurve mit dauerhaft am Elektromagneten anliegendem Anker, der den ungesättigten Zustand des Elektromagneten repräsentiert und in dem der Fluss Ψ im
Wesentlichen linear vom Strom I abhängt, zumindest näherungsweise beschafft werden kann, indem der Elektromagnet vor der Montage in das Ventil an einen
Prüfanker angelegt und mit diesem die Hysteresekurve gemessen wird. Dieser Kurvenabschnitt ist im Wesentlichen durch seine Steigung rru charakterisiert. Hieraus lässt sich auf verschiedenen Wegen die Steigung rru* des
korrespondierenden Kurvenabschnitts einer Hysteresekurve des fertig montierten Ventils mit dauerhaft am Elektromagneten anliegendem Anker, die einer direkten
Messung nicht mehr zugänglich ist, ermitteln. Insofern handelt es sich bei der vor der Montage des Ventils gewonnenen Steigung rru um einen sehr wichtigen Referenzwert, der nach der Montage des Ventils in besonders einfacher und einsichtiger Weise eine Messung des Ankerhubs AH des Ventils ermöglicht.
Wird ein den ungesättigten Zustand des Elektromagneten repräsentierender Kurvenabschnitt der Hysteresekurve im fertig montierten Zustand des Ventils durchlaufen, so hat dieser eine Steigung mo, die geringer ist als die Steigung rru*. Ursache hierfür ist, dass sich durch den Abfall des Ankers vom Elektromagneten ein Luftspalt gebildet hat und der Energiebetrag ΔΕ in diesem Luftspalt hinterlegt wurde. Aus der Fläche zwischen korrespondierenden Kurvenabschnitten mit Steigungen mo bzw. rru* lässt sich der Energiebetrag ΔΕ, und somit schließlich der gesuchte Ankerhub AH, auswerten. Der Energiebetrag ΔΕ ist gegeben durch
und hiera
Hierin ist n die Windungszahl der Spule des Elektromagneten. μ0 ist die magnetische Permeabilität des Vakuums. Ai und A2 sind Querschnittsflächen des Luftspalts, die von seiner Breite, also vom Ankerhub AH, unabhängig sind.
Somit ermöglicht die Konservierung von rru vor der Montage des Ventils als Referenzwert und anschließende Bestimmung von rru* aus rru die Bestimmung des Ankerhubs AH am fertigen Ventil durch Ermittlung von mo aus einer weiteren Hysteresekurve. Der Übersichtlichkeit halber wird im Folgenden eine
Hysteresekurve des Magnetkreises, die im fertig montierten Zustand des Ventils aufgenommen wird, als„Hysteresekurve des Ventils" bezeichnet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Steigung rru* über einen vorgegebenen ersten funktionalen Zusammenhang aus der Steigung rru ermittelt. In der einfachsten Näherung kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass rru* identisch zu rru ist. Diese Näherung ist für viele Anwendungen bereits genau genug. Enthalten nun aber beispielsweise der Ventilkörper, und/oder die Mittel zur Umsetzung einer Bewegung des Ankers in ein Öffnen oder Schließen des Ventils, ferromagnetische Materialien, so beeinflussen diese Materialien den magnetischen Fluss Ψ des Magnetkreises, und damit auch rru*. Der erste funktionale Zusammenhang lässt sich vorteilhaft dahingehend verfeinern, dass dieser Einfluss berücksichtigt wird. Je genauer rru* bestimmt wird, desto genauer lässt sich hieraus der Ankerhub AH bestimmen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Ermittlung des ersten funktionalen Zusammenhangs an mindestens einem fertig montierten Ventil der Anker am Elektromagneten festgestellt und in diesem Zustand die Hysteresekurve aufgenommen. Bei diesem Ventil handelt es sich um ein spezielles Prüf- bzw. Bedatungsexemplar, das sich von den in Serie gefertigten Ventilen dahingehend unterscheidet, dass der Ankerhub AH immer gleich Null ist und das Ventil nicht schalten kann. Abgesehen von diesem Unterschied verhält sich das Ventil magnetisch genau wie die in Serie gefertigten Ventile.
Idealerweise wird am Magnetkreis eines Ventils vor der Montage die erste Hysteresekurve aufgenommen und hieraus rru bestimmt, und nach der Montage dieses Magnetkreises in das Ventil wird die zweite Hysteresekurve
aufgenommen und hieraus rru* bestimmt.
Die Steigung rru* kann aber auch beispielsweise aus der Steigung rru gewonnen werden, indem mit Hilfe numerischer Methoden, etwa der Finite- Elemente- Methode, der Einfluss weiterer ferromagnetischer Materialien im Ventil auf den aus Elektromagnet und Anker gebildeten Magnetkreis berechnet wird.
Alternativ oder in Kombination hierzu kann rru* auch durch den Vergleich von Referenzwerten weiterer vor der Montage des Ventils ermittelter Größen mit nach der Montage des Ventils ermittelten Werten dieser Größen verfeinert werden.
Daher wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vor dem Einsetzen des Elektromagneten in den Ventilkörper zusätzlich die Steigung nri2 eines zweiten linearen Kurvenabschnitts der Hysteresekurve, die an der Kombination des Elektromagneten mit dem Prüfanker aufgenommen wird, im gesättigten Zustand ermittelt. Weiterhin wird vorteilhaft zusätzlich der Stromwert lo ermittelt, bei dem eine lineare Fortsetzung des zweiten Kurvenabschnitts zur Stromachse I die Stromachse I schneidet.
Beide Größen sind auch am fertig montierten Ventil der Messung zugänglich, denn im gesättigten Zustand des Elektromagneten ist der Anker an den
Elektromagneten angezogen, so dass sich der Magnetkreis insoweit im gleichen Zustand befindet wie bei der Referenzmessung an der Kombination aus dem Elektromagneten und dem Prüfanker. Um nach der Montage des Ventils an einen zu nri2 korrespondierenden
Vergleichswert zu gelangen, wird vorteilhaft nach der Montage des Ventils eine weitere magnetische Hysteresekurve des Ventils aufgenommen. Die Steigung nri3 eines zweiten, im wesentlichen linearen Kurvenabschnitts der weiteren magnetischen Hysteresekurve, der den gesättigten Zustand repräsentiert, wird ermittelt. Dieser zweiten Kurvenabschnitt korrespondiert zu dem zweiten
Kurvenabschnitt der vor der Montage des Ventils an der Kombination aus Elektromagnet und Prüfanker gemessenen magnetischen Hysteresekurve. Um weiterhin nach der Montage des Ventils an einen zu lo korrespondierenden
Vergleichswert zu gelangen, wird vorteilhaft weiterhin zusätzlich der Stromwert Ii ermittelt, bei dem eine lineare Fortsetzung des zweiten Kurvenabschnitts zur Stromachse I die Stromachse I schneidet. Die Erfinder haben erkannt, dass der Vergleich des Stromwerts Ii mit dem Stromwert lo eine zusätzliche Möglichkeit der Qualitätskontrolle für die magnetischen Eigenschaften der im Ventil verwendeten Bauteile bietet. Insbesondere kann überwacht werden, ob der Anker, und/oder eine zwischen dem Anker und dem Elektromagneten
angeordnete Restluftspaltscheibe (RLSS), der gewünschten Spezifikation entspricht. Eine große Abweichung des Stromwerts Ii vom Stromwert lo kann auf eine diesbezügliche Normabweichung oder auch auf eine unerwünschte
Partikelbildung an den Kontaktflächen der Restluftspaltscheibe zum Anker und/oder zum Elektromagneten hinweisen.
Daher wird in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die betragsmäßige Differenz ΔΙ zwischen dem Stromwert Ii und dem Stromwert lo ermittelt und das Ventil als fehlerhaft klassiert, wenn diese betragsmäßige Differenz einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus den Steigungen nru und nri2 eine Korrelation und/oder ein zweiter funktionaler
Zusammenhang zwischen den Steigungen nru und nri2 ermittelt. Der zweite funktionale Zusammenhang setzt vorteilhaft das Verhältnis m2/mi in eine lineare Beziehung zu dem Stromwert lo. Beispielsweise kann für den funktionalen Zusammenhang ein parametrisierter Ansatz der Form
Jfl
I0 = kl -— + k0 (3) mit zwei Parametern ko und ki aufgestellt werden.
Die Erfinder haben bei Reihenuntersuchungen von Elektromagneten erkannt, dass zwar rru, nri2 und lo für sich genommen einer Exemplarstreuung unterliegen. Innerhalb einer Charge von Elektromagneten mit nominell identischer Geometrie, die auf nominell identische Weise gefertigt wurden, ist jedoch in guter Näherung die Korrelation zwischen rru, nri2 und lo gemäß Gleichung (3) mit den gleichen Parametern ko und ki gültig. Die wichtigsten Fertigungsparameter, die einen Einfluss auf die Parameter ko und ki haben, sind das für die Herstellung des Magnetkerns des Elektromagneten verwendete Magnetpulver, die Pressdichte sowie eine eventuelle Wärmebehandlung des Magnetkerns.
Ein Ansatz für eine Verfeinerung der ursprünglichen Näherung, dass der vor der Montage des Ventils ermittelte Referenzwert rru auch nach der Montage des Ventils unverändert als Steigung rru* verwendbar ist, besteht somit darin, bei der Auswertung des Energiebetrags ΔΕ und des Ankerhubs AH gemäß den
Gleichungen (1) und (2) nicht unmittelbar den Referenzwert rru zu verwenden, sondern rru* mit Hilfe des zweiten funktionalen Zusammenhangs zwischen rru und nri2 und optional auch lo zu bestimmen. Wird hierfür beispielsweise der Ansatz gemäß Gleichung (3) gemacht, so wird der funktionale Zusammenhang durch die Parameter ko und ki charakterisiert.
Die vor der Montage des Ventils gewonnenen Parameter ko und ki lassen sich beispielsweise nutzen, indem am fertig montierten Ventil die Steigung nri3 eines Kurvenabschnitts der Hysteresekurve, der den gesättigten Zustand repräsentiert, ermittelt und in Gleichung (3) als nri2 eingesetzt wird. Gemäß
ist dann ein verfeinerter Näherungswert für rru* im fertig montierten Zustand des Ventils erhältlich, der näher an dem der Messung nicht mehr unmittelbar zugänglichen Wert ist als der an der Kombination aus Elektromagnet und
Prüfanker vor der Montage des Ventils ermittelte Referenzwert rru.
Zusammen mit dem im abgefallenen Zustand des Ankers am fertig montierten Ventil gewonnenen Wert für mo kann der verfeinerte Näherungswert für rru* genutzt werden, um gemäß den Gleichungen (1) und (2) den Energiebetrag ΔΕ, und schließlich den Ankerhub AH, auszuwerten.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Steigung rru, die Steigung ητΐ2, die Steigung rru*, und/oder der erste funktionale
Zusammenhang, und/oder der zweite funktionale Zusammenhang, und/oder die Korrelation zwischen den Steigungen rru und ητΐ2, auf dem Elektromagneten, und/oder auf einem mit dem Elektromagneten verbundenen maschinenlesbaren Informationsträger, vermerkt, und/oder in einer Datenbank eindeutig mit dem Elektromagneten verknüpft. Insbesondere kann hierbei der funktionale
Zusammenhang gemäß Gleichung (3) durch die Parameter ko und ki
repräsentiert sein. Die Massenfertigung der Elektromagnete lässt sich dann besonders einfach von der Massenfertigung der elektromagnetisch betätigbaren Ventile entkoppeln. Beispielsweise kann ein Werk Elektromagnete für mehrere andere Werke vorproduzieren, die hieraus verschiedene Typen von
elektromagnetisch betätigbaren Ventilen fertigen. Der maschinenlesbare
Informationsträger kann beispielsweise einen Datamatrix-Code, etwa einen QR- Code, beinhalten.
Die Entkopplung der Fertigung von Elektromagneten einerseits und Ventilen andererseits lässt sich in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vereinfachen, indem eine Vielzahl von Elektromagneten nach dem Wert der Steigungen rru und/oder ητΐ2, und/oder nach dem funktionalen
Zusammenhang und/oder der Korrelation zwischen den Steigungen rru und ητΐ2, klassiert wird. Der funktionale Zusammenhang kann beispielsweise an Hand der Parameter ko und ki in Gleichung (3) klassiert werden. Die Klassierung diskretisiert die Genauigkeit der Referenzwerte für den Elektromagneten, beschleunigt aber die Massenfertigung, da Elektromagnete aus einer Klasse jeweils in identischer Form weiterverarbeitet werden können und nicht mehr auf magnetindividuelle Referenzwerte eingegangen werden muss. Weiterhin können auffällige Elektromagnete, die sich keiner Klasse gemäß Spezifikation zuordnen lassen, von vornherein als Ausschuss aussortiert werden.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Bestimmung des Ankerhubs AH an einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil. Dieses Ventil umfasst einen Elektromagneten, einen durch den Elektromagneten bewegbarer Anker sowie vorzugsweise einen Ventilkörper, innerhalb dessen der Elektromagnet, der Anker sowie Mittel zur Umsetzung einer Bewegung des Ankers in ein Öffnen oder Schließen des Ventils angeordnet sind. Zur
Bestimmung des Ankerhubs AH wird eine magnetische Hysteresekurve des Ventils aufgenommen und eine erste Steigung m0 eines ersten linearen
Kurvenabschnitts der Hysteresekurve des Ventils im ungesättigten Zustand bestimmt. In diesem Zustand ist der Anker durch die im Ventil wirksame
Rückstellkraft vom Elektromagneten abgefallen, so dass ein Luftspalt zwischen dem Anker und dem Elektromagneten existiert.
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung des Ankerhubs AH die magnetische Energie ΔΕ im Luftspalt aus dem Unterschied zwischen der ersten Steigung mo und einer zweiten Steigung rru* des zum ersten Kurvenabschnitt der
Hysteresekurve korrespondierenden ersten, im Wesentlichen linearen
Kurvenabschnitts einer weiteren magnetischen Hysteresekurve, die das Ventil bei am Elektromagneten festgehaltenem Anker hätte, ausgewertet. Hierbei kann zur Ermittlung der zweiten Steigung rru* insbesondere mindestens ein vor dem Einsetzen des Elektromagneten in den Ventilkörper ermittelter Referenzwert rru für diese Steigung rru* herangezogen werden. Der Referenzwert rru kann insbesondere im Rahmen des zuvor beschriebenen Herstellungsverfahrens gewonnen worden sein.
Für die Ermittlung von rru* unter Heranziehung des Referenzwerts rru stehen beispielsweise die im Zusammenhang mit dem Herstellungverfahren offenbarten Methoden zur Verfügung.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die zweite Steigung rru aus der Steigung nri3 eines zweiten linearen Kurvenabschnitts der magnetischen Hysteresekurve des Ventils im gesättigten Zustand in
Verbindung mit einem funktionalen Zusammenhang und/oder einer Korrelation zwischen den Steigungen rru, nri2 der Kurvenabschnitte der weiteren
Hysteresekurve ermittelt. Dabei kann die Korrelation, bzw. der funktionale Zusammenhang, ebenfalls vor dem Einsetzen des Elektromagneten in den Ventilkörper ermittelt und als Referenzwert konserviert worden sein. Beispielsweise kann der funktionale Zusammenhang gemäß Gleichung (3) in Form der Parameter ko und ki konserviert worden sein.
Das Herstellungsverfahren, mit dem vor der Montage des Ventils ein oder mehrere Referenzwerte am Elektromagneten gewonnen und konserviert werden, und das Messverfahren, mit dem nach der Montage des Ventils vorteilhaft unter Nutzung dieser Referenzwerte über die magnetische Energie ΔΕ im Luftspalt zwischen Anker und Elektromagnet der Ankerhub AH ausgewertet wird, arbeiten synergistisch Hand in Hand, um im Endeffekt eine genaue Bestimmung des Ankerhubs AH zu ermöglichen. Durch die vorteilhaft lückenlose Messung von Hysteresekurven an allen zum Einsatz kommenden Elektromagneten
(Magnetbaugruppen) und Konservierung der bei dieser Messung erhaltenen Referenzwerte wird der Einfluss von Chargenschwankungen der verwendeten Bauteile auf die Genauigkeit des bestimmten Ankerhubs AH minimiert. Der gemäß der Erfindung bestimmte Ankerhub AH kann insbesondere vorteilhaft als Rückkopplung genutzt werden, um bei der Fertigung von elektromagnetisch betätigten Ventilen für Kraftstoffinjektoren den Ankerhub werksseitig präzise einzustellen und im laufenden Betrieb zu überwachen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiele
Es zeigt:
Figur 1 Schematische Darstellung eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils 1 (Figur la) und einer Kombination 6 aus Elektromagnet 2, 2a, 2b und Prüfanker 3a (Figur lb);
Figur 2 Ausschnitt der an der Kombination 6 gemessenen Hysteresekurve 10.
Figur 3 Ausschnitt der am fertig montierten Ventil 1 gemessenen
Hysteresekurve 20. Figur 4 In einer Reihenuntersuchung von Elektromagneten 2 ermittelter funktionaler Zusammenhang 8 zwischen dem Steigungsverhältnis und dem Stromwert lo.
Figur 5 Vollständige Hysteresekurve 20 des Ventils 1.
Figur 6 Beispielhafte Einflüsse der Exemplarstreuung zwischen
Elektromagneten 2 auf die Hysteresekurve 10 der Kombination 6 aus
Elektromagnet 2 und Prüfanker 3a.
Nach Figur la umfasst das hier beispielhaft als 2/2 -Wegeventil dargestellte Ventil 1 einen Ventilkörper 5 mit einem Einlass la und einem Auslass lb. Das Ventil 1 schaltet den Durchfluss eines Mediums zwischen dem Einlass la und dem Auslass lb. Zu diesem Zweck ist innerhalb des Ventilkörpers 5 ein
Elektromagnet 2 angeordnet, der aus einem ferromagnetischen Magnetkern 2a und einer auf den ferromagnetischen Magnetkern 2a gewickelten Spule 2b besteht. Auf dem Elektromagneten 2 ist ein maschinenlesbarer
Informationsträger 7 angebracht, der einen Barcode mit Referenzwerten enthält. Diese Referenzwerte wurden an einer Kombination 6 des Elektromagneten 2 mit einem Prüfanker 3a vor dem Einsetzen des Elektromagneten 2 in den
Ventilkörper 5 gemessen.
Im Ventil 1 ist ein Anker 3 so relativ zum Elektromagneten 2 angeordnet, dass der Elektromagnet 2 den Anker 3 anziehen kann. Über einen
Kopplungsmechanismus 4a wird dann das Stellglied 4c des Ventils 1 gegen die von der Ventilfeder 4b ausgeübte Rückstellkraft von der in Figur la gezeigten Schaltstellung, in der das Ventil 1 geschlossen ist, in die in Figur la nicht gezeigte Schaltstellung, in der das Ventil 1 geöffnet ist, überführt. Der
Kopplungsmechanismus 4a, die Ventilfeder 4b und das Stellglied 4c bilden gemeinsam die Mittel 4, die die Bewegung des Ankers 3 in ein Öffnen oder Schließen des Ventils 1 umsetzen. In der in Figur la gezeigten geschlossenen Schaltstellung des Ventils 1 besteht zwischen dem Anker 3 und dem Elektromagneten 2 ein Luftspalt 9. Ist der Anker 3 hingegen an den Elektromagneten 2 angezogen, verschwindet dieser Luftspalt 9. Die Breite des Luftspalts 9 in der geschlossenen Schaltstellung, in der der Anker 3 vom Elektromagneten 2 abgefallen ist, entspricht dem Ankerhub AH des Ventils 1.
Der Elektromagnet 2 und der Anker 3 bilden gemeinsam einen Magnetkreis, der von einem magnetischen Fluss Ψ durchsetzt ist. Von diesem magnetischen Fluss Ψ sind in Figur la beispielhaft zwei Flusslinien eingezeichnet.
Figur lb zeigt die Kombination 6 aus dem Elektromagneten 2 und dem Prüfanker 3a, an der zumindest die Steigung rru eines Kurvenabschnitts 11 einer
Hysteresekurve 10 im ungesättigten Zustand als Referenzwert ermittelt wird. Der Prüfanker 3a wird mit in Figur lb nicht dargestellten Mitteln auch dann im Kontakt mit dem Magnetkern 2a des Elektromagneten 2 gehalten, wenn die Spule 2b des Elektromagneten 2 nicht bestromt ist.
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt der Hysteresekurve 10, die an der Kombination 6 aus dem Elektromagneten 2 und dem Prüfanker 3a aufgenommen wurde. Der magnetische Fluss Ψ ist über dem Strom I durch die Spule 2b des
Elektromagneten 2 aufgetragen. In einem ersten Kurvenabschnitt 11, der den ungesättigten Zustand des Elektromagneten 2 repräsentiert, verläuft die
Hysteresekurve 10 im Wesentlichen linear mit einer Steigung rru, so dass in diesem Kurvenabschnitt 11 näherungsweise Ψ(Ι)=ηηι·Ι+θι mit einer Konstanten ci gilt. In einem zweiten Kurvenabschnitt 12, der den gesättigten Zustand des Elektromagneten 2 repräsentiert, verläuft die Hysteresekurve 10 ebenfalls im Wesentlichen linear mit einer Steigung ητΐ2, so dass in diesem Kurvenabschnitt 12 näherungsweise Ψ(Ι) mit einer Konstanten C2 gilt. Eine lineare
Fortsetzung 13 dieses zweiten Kurvenabschnitts 12 mit gleicher Steigung nri2 zur Stromachse I schneidet die Stromachse I beim Stromwert lo. Der in Figur 2 dargestellte Ausschnitt der Hysteresekurve 10 wurde ausgehend vom gesättigten Zustand des Elektromagneten 2 aufgenommen. Es wurde also ausgehend vom höchsten Strom I durch die Spule 2b des Elektromagneten 2 der Strom I sukzessive vermindert. Figur 3 zeigt einen Ausschnitt der Hysteresekurve 20, die am fertig montierten Ventil 1 aufgenommen wurde. Analog zu Figur 1 ist der magnetische Fluss Ψ im aus Elektromagnet 2 und Anker 3 gebildeten Magnetkreis des Ventils 1 über dem Strom I durch die Spule 2b des Elektromagneten 2 aufgetragen. Analog zu Figur
1 wurde vom höchsten Wert des Stroms I im gesättigten Zustand des
Elektromagneten 2 ausgegangen und der Strom I sukzessive vermindert.
Auch die Hysteresekurve 20 weist im ungesättigen Zustand einen ersten
Kurvenabschnitt 21 auf, in dem sie im Wesentlichen linear verläuft mit einer
Steigung m0. In diesem Kurvenabschnitt 21 gilt somit näherungsweise
Ψ(Ι)=ηηο·Ι+θο mit einer Konstanten co. In einem zweiten Kurvenabschnitt 22, der den gesättigten Zustand repräsentiert, verläuft die Hysteresekurve 20 ebenfalls im Wesentlichen linear mit einer Steigung m3. In diesem Kurvenabschnitt 22 gilt näherungsweise Ψ(Ι) mit einer Konstanten C3. Die lineare Fortsetzung 23 des Kurvenabschnitts 22 mit gleicher Steigung nri3 zur Stromachse I schneidet die Stromachse I beim Stromwert Ii.
Zum Vergleich ist in Figur 3 zusätzlich der Kurvenabschnitt 31 der in Figur 2 gezeigten Hysteresekurve 30 eingezeichnet, die das fertig montierte Ventil bei dauerhaft am Elektromagneten anliegendem Anker hätte. In diesem
Kurvenabschnitt 31 gilt näherungsweise Ψ(Ι)=ηηι*·Ι+θι* mit einer Konstanten ci*.
Am Verlauf der Hysteresekurve 20 ausgehend vom zweiten Kurvenabschnitt 22 hin zu geringeren Stromwerten I ist deutlich zu erkennen, dass das Abfallen des
Ankers 3 vom Elektromagneten 2 den magnetischen Fluss Ψ diskontinuierlich vermindert. Ursache hierfür ist, dass sich durch das Abfallen des Ankers 3 der Luftspalt 9 zwischen dem Anker 3 und dem Elektromagneten 2 bildet und eine magnetische Energie ΔΕ in dem Luftspalt 9 hinterlegt wird. Diese Energie ΔΕ entspricht der Fläche zwischen dem ersten Kurvenabschnitt 21 der
Hysteresekurve 20 und dem ersten Kurvenabschnitt 31 der Hysteresekurve 30. Aus der Energie ΔΕ ist der gesuchte Ankerhub AH ermittelbar.
Figur 4 zeigt den zweiten funktionalen Zusammenhang 8 zwischen dem
Steigungsverhältnis und dem Stromwert lo, der in einer Reihenuntersuchung von Elektromagneten 2 ermittelt wurde. Der zweite funktionale Zusammenhang 8 entspricht Gleichung (3). Jeder mit einem
Rhombus als Symbol gekennzeichnete Messpunkt repräsentiert einen
Elektromagneten 2, auf den der zweite funktionale Zusammenhang 8
näherungsweise zutrifft. Jeder mit einem Kreis als Symbol gekennzeichnete Messpunkt repräsentiert einen Elektromagneten 2, der von dem zweiten funktionalen Zusammenhang 8 deutlich abweicht. In Figur 4 sind zwei Gruppen 8a und 8b derartiger Ausreißer erkennbar. Elektromagnete 2, die in dieser Weise auffällig sind, werden vorzugsweise als Ausschuss aussortiert.
Figur 5 zeigt zum besseren Verständnis eine vollständige Hysteresekurve 20 des Ventils 1 bei symmetrischer Aussteuerung. Ausgehend vom höchsten Stromwert I im gesättigten Zustand wird zunächst der Zweig 28 hin zu geringeren
Stromwerten I durchlaufen. Dabei wird zunächst der im Wesentlichen linear verlaufende zweite Kurvenabschnitt 21 passiert. Im Anschluss an diesen zweiten Kurvenabschnitt 21 verringert sich der magnetische Fluss Ψ im abfallenden Kurvenabschnitt 24 schneller als linear, bevor am Punkt 27a der Anker 3 durch die von der Ventilfeder 4b des Ventils 1 ausgeübte Rückstellkraft vom
Elektromagneten 2 abfällt und der Luftspalt 9 zwischen dem Anker 3 und dem Elektromagneten 2 gebildet wird. Dies zeigt sich in einem diskontinuierlichen Abfall des magnetischen Flusses Ψ. Der Zweig 28 der Hysteresekurve 20 geht anschließend in den ersten Kurvenabschnitt 21 im ungesättigten Zustand über. Hier verläuft der magnetische Fluss Ψ im Wesentlichen linear mit dem Strom I.
Im linken unteren Quadranten von Figur 5 geht der Zweig 28 der Hysteresekurve 20 in einen anziehenden Kurvenabschnitt über. Am Punkt 26b wird der Anker 3 an den Elektromagneten 2 angezogen, was sich in einer kleinen Diskontinuität im Kurvenverlauf zeigt.
Wird anschließend im gesättigten Zustand der Strom I wieder erhöht, wird der Zweig 29 der Hysteresekurve 20 durchlaufen. Hier geht die Hysteresekurve 20 wieder in einen abfallenden Kurvenabschnitt 24 über, in dem am Punkt 27b der Anker 3 vom Elektromagneten 2 abfällt. Wenn der Zweig 29 der Hysteresekurve 29 in den rechten oberen Quadranten übertritt, beginnt der nächste anziehende Kurvenabschnitt 25. Am Punkt 26a wird der Anker 3 wieder an den
Elektromagneten 2 angezogen.
Analog zu Figur 3 sind in Figur 5 auch die lineare Fortsetzung 23 des zweiten Kurvenabschnitts 21 zur Stromachse I sowie der Stromwert Ii, an dem die Fortsetzung 23 die Stromachse I schneidet, eingezeichnet.
Figur 6 verdeutlicht an Hand einiger Beispiele, wie die Exemplarstreuung zwischen verschiedenen Elektromagneten 2 den Verlauf der Hysteresekurve 10 einer Kombination 6 aus dem jeweiligen Elektromagneten 2 mit dem Prüfanker 3a beeinflussen kann.
In Figur 6a sind Abweichungen zwischen einer ersten Hysteresekurve 10 und einer zweiten Hysteresekurve 10a von einer Art dargestellt, wie sie
beispielsweise durch Unterschiede in der Wärmebehandlung der Magnetkerne 2a verschiedener Elektromagneten 2, oder auch durch eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung des für beide Magnetkerne 2a verwendeten Magnetpulvers, bewirkt werden können. Im gesättigten Zustand, der durch den zweiten Kurvenabschnitt 12 repräsentiert wird, ist der Verlauf der beiden
Hysteresekurven 10 und 10a identisch. Somit ändert die Abweichung in der Zusammensetzung der Magnetkerne 2a nicht die Steigung nri2 im zweiten Kurvenabschnitt 12 und auch nicht den Stromwert lo, bei dem die lineare
Fortsetzung 13 des zweiten Kurvenabschnitts 12 die Stromachse I schneidet. Die Verläufe der ersten Kurvenabschnitte 11 und IIa im ungesättigten Zustand sind jedoch unterschiedlich und weisen insbesondere auch unterschiedliche
Steigungen rru auf.
Figur 6b zeigt den umgekehrten Fall, dass sich innerhalb einer Serie aus fünf Elektromagneten 2 die jeweils in der Kombination 6 mit einem Prüfanker 3a gemessenen Hysteresekurven 10, 10a-10d nur im gesättigten Zustand stark unterscheiden, während die Hysteresekurven 10, 10a-10d im ungesättigten Zustand praktisch parallel zueinander verlaufen. Es haben also beispielsweise die zweiten Kurvenabschnitte 12 und 12a der Hysteresekurven 10 und 10a im gesättigten Zustand unterschiedliche Steigungen ητΐ2, und die linearen
Fortsetzungen 13 und 13a dieser zweiten Kurvenabschnitte 12 und 12a zur Stromachse I schneiden die Stromachse I bei unterschiedlichen Stromwerten lo. Hingegen ist die Steigung rru im ungesättigten Zustand für alle Hysteresekurven 10, 10a-10d nahezu identisch.
Figur 6c zeigt demgegenüber den Fall, dass sich innerhalb einer Serie aus drei Elektromagneten 2 die jeweils in der Kombination 6 mit einem Prüfanker 3a gemessenen Hysteresekurven 10, 10a, 10b sowohl in ihren Steigungen rru im ungesättigten Bereich als auch in ihren Steigungen nri2 in den zweiten
Kurvenabschnitten 12, 12a im gesättigten Bereich deutlich unterscheiden.
Dementsprechend schneiden auch die linearen Fortsetzungen 13, 13a der zweiten Kurvenabschnitte 12, 12a zur Stromachse I die Stromachse I bei unterschiedlichen Stromwerten lo.
Sofern sich die Exemplarstreuung zwischen Elektromagneten 2 nur in solchen Veränderungen der Hysteresekurve 10 zeigt, die rru, nri2 und lo in korrelierter Weise ändern, so kann das Herstellungsverfahren in vereinfachter Form angewendet werden. Es kann dann darauf verzichtet werden, an jedem einzelnen Elektromagneten 2 eine Hysteresekurve 10 aufzunehmen. Stattdessen genügt es, eine Stichprobe von einigen wenigen Elektromagneten 2 einer Charge aus nominell identisch dimensionierten und gefertigten Elektromagneten 2 zu vermessen und daraus den funktionalen Zusammenhang 8 gemäß Gleichung (3) zu ermitteln. Für diese Stichprobe können beispielsweise Referenzventile verwendet werden, in denen der Anker 3 als Prüfanker 3a am Elektromagneten 2 fixiert ist. rru kann dann für alle weiteren Elektromagneten 2 aus der Charge gemäß Gleichung (4) ausgewertet werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils (1) aus einem Elektromagneten (2, 2a, 2b), einem durch den Elektromagneten (2, 2a, 2b) bewegbaren Anker (3) und einem Ventilkörper (5) mit Mitteln (4, 4a, 4b, 4c) zur Umsetzung einer Bewegung des Ankers (3) in ein Öffnen oder Schließen des Ventils (1), wobei der Elektromagnet (2, 2a, 2b) und der Anker (3) in den Ventilkörper (5) eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen des Elektromagneten (2, 2a, 2b) in den Ventilkörper (5) eine magnetische Hysteresekurve (10) einer Kombination (6) des Elektromagneten (2, 2a, 2b) mit einem an diesem Elektromagneten (2, 2a, 2b) anliegenden Prüfanker (3a) aufgenommen wird, dass die Steigung rru eines ersten, im Wesentlichen linearen Kurvenabschnitts (11) der Hysteresekurve (10) im ungesättigten
Zustand ermittelt wird und dass aus der Steigung rru die Steigung rru* eines zu dem ersten Kurvenabschnitt (11) korrespondierenden Kurvenabschnitts (31) einer Hysteresekurve (30) des fertig montierten Ventils (1) mit dauerhaft am Elektromagneten (2, 2a, 2b) anliegendem Anker (3) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Steigung rru* über einen vorgegebenen ersten funktionalen Zusammenhang aus der Steigung rru ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Ermittlung des ersten funktionalen Zusammenhangs an mindestens einem fertig montierten Ventil (1) der Anker (3) am Elektromagneten (2, 2a, 2b) festgestellt und in diesem Zustand die Hysteresekurve (30) aufgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen des Elektromagneten (2, 2a, 2b) in den Ventilkörper (5) zusätzlich die Steigung nri2 eines zweiten, im Wesentlichen linearen Kurvenabschnitts (12) der Hysteresekurve (10) der Kombination (6) im gesättigten Zustand ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Stromwert lo ermittelt wird, bei dem eine lineare Fortsetzung (13) des zweiten Kurvenabschnitts (12) zur Stromachse I die Stromachse I schneidet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass nach der Montage des Ventils (1) eine weitere magnetische Hysteresekurve (20) des Ventils (1) aufgenommen wird und dass die Steigung nri3 eines zum zweiten Kurvenabschnitt (12) der magnetischen Hysteresekurve (10) korrespondierenden zweiten, im wesentlichen linearen Kurvenabschnitts (22) der weiteren magnetischen Hysteresekurve (20) im gesättigten Zustand ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Stromwert Ii ermittelt wird, bei dem eine lineare Fortsetzung (23) des zweiten Kurvenabschnitts (22) zur Stromachse I die Stromachse I schneidet.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die betragsmäßige Differenz ΔΙ zwischen dem Stromwert Ii und dem Stromwert lo ermittelt wird und das Ventil (1) als fehlerhaft klassiert wird, wenn die
betragsmäßige Differenz ΔΙ einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass aus den Steigungen nru und nri2 eine Korrelation und/oder ein zweiter funktionaler Zusammenhang (8) zwischen den Steigungen nru und nri2 ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite funktionale Zusammenhang (8) das Verhältnis m^rru in eine lineare Beziehung zu dem Stromwert lo setzt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steigung rru, die Steigung ητΐ2, die Steigung nru*, und/oder der erste funktionale Zusammenhang, und/oder der zweite funktionale Zusammenhang (8), und/oder die Korrelation zwischen den Steigungen rru und ητΐ2, auf dem Elektromagneten (2, 2a, 2b), und/oder auf einem mit dem
Elektromagneten (2, 2a, 2b) verbundenen maschinenlesbaren Informationsträger (7), vermerkt, und/oder in einer Datenbank eindeutig mit dem Elektromagneten (2, 2a, 2b) verknüpft, wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Elektromagneten (2, 2a, 2b) nach dem Wert der Steigungen rru und/oder ητΐ2, und/oder nach dem zweiten funktionalen Zusammenhang (8) und/oder der Korrelation zwischen den Steigungen rru und ητΐ2, klassiert wird.
13. Verfahren zur Bestimmung des Ankerhubs AH an einem
elektromagnetisch betätigbaren Ventil (1), welches einen Elektromagneten (2, 2a, 2b) und einen durch den Elektromagneten (2, 2a, 2b) bewegbaren Anker (3) umfasst, wobei eine magnetische Hysteresekurve (20) des Ventils (1) aufgenommen und eine erste Steigung m0 eines ersten, im Wesentlichen linearen Kurvenabschnitts (21) der Hysteresekurve (20) des Ventils (1) im ungesättigten Zustand bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Unterschied zwischen
der ersten Steigung mo und
einer zweiten Steigung rru* des zum ersten Kurvenabschnitt (21) der
Hysteresekurve (20) korrespondierenden ersten, im Wesentlichen linearen Kurvenabschnitts (11) einer weiteren magnetischen Hysteresekurve (10), die das Ventil (1) bei am Elektromagneten (2, 2a, 2b) festgehaltenem Anker (3) hätte, die magnetische Energie ΔΕ im zwischen dem Anker (3) und dem
Elektromagneten (2, 2a, 2b) gebildeten Luftspalt (9) ausgewertet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ventil (1) einen Ventilkörper (5) umfasst und wobei der Elektromagnet (2, 2a, 2b), der Anker (3) sowie Mittel (4, 4a, 4b, 4c) zur Umsetzung einer Bewegung des Ankers (3) in ein Öffnen oder Schließen des Ventils (1) innerhalb des Ventilkörpers (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der zweiten Steigung rru* mindestens ein vor dem Einsetzen des Elektromagneten (2, 2a, 2b) in den Ventilkörper (5) ermittelter Referenzwert rru für diese Steigung rru* herangezogen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die zweite Steigung rru* aus der Steigung nri3 eines zweiten linearen Kurvenabschnitts (22) der magnetischen Hysteresekurve (20) des Ventils (1) im gesättigten Zustand in Verbindung mit einem zweiten funktionalen Zusammenhang (8) und/oder einer Korrelation zwischen den Steigungen rru, nri2 der Kurvenabschnitte (11, 12) der weiteren Hysteresekurve (10) ermittelt wird.
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