Elektromagnetische Stelleinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1 .
Eine derartige Stelleinrichtung ist z. B. aus der DE 3546 513 C2 bekannt. Dort wird die Wicklung jedes Elektromagneten zuerst bis zum Erreichen eines maximalen Stroms an Spannung gelegt. Dann wird der Strom abgeschaltet. Über eine Freilaufschaltung fällt nun der Strom ab. Bei Erreichen eines unteren Werts des Stroms wird wieder Spannung an die Wicklung gelegt bis ein oberer Stromwert erreicht ist. Nun wird wieder abgeschaltet usw. , also die Wicklung um einen gegenüber dem maximalen Stromwert kleineren Stromwert getaktet, wodurch die Leistung und die Magnetkraft auf den zum Halten notwendigen Wert vermindert werden.
Es ist auch bekannt Permanentmagnete zum Halten des Ankers zu benutzen (sh. z.B. DE 3500530 C2).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Ansteuerung wenigstens eines der Elektromagnete flexibler gestalten zu können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die elektromagnetische Stelleinrichtung für Ventilverstellung muß zwei unterschiedliche Funktionen erfüllen. Zum einen muß in der Schließ- oder Offenstellung des
Ventils der Anker bei möglichst kleinem Luftspalt positioniert werden. Hierbei soll möglichst wenig Verlustleistung entstehen, der Wirkungsgrad des Magneten groß sein, das heißt Eisen und Luftspaltverluste müssen klein sein. Die mittleren Stromstärken für die Erregungswicklung sollten möglichst klein sein. Wenn der Anker seine Endlage erreicht hat, kann die Zeitkonstante der Erregerwicklung groß sein. Kurz vor Erreichen der Endposition muß sie jedoch möglichst klein sein, damit Abweichungen von der Sollposition möglichst schnell ausgeregelt werden können.
Zum anderen müssen während der Hubbewegung vom anziehenden Magneten die mechanischen Verlustenergien (z. B. durch Reibung), welche einen Hubverlust darstellen, ausgeglichen werden. Abhängig vom Luftspalt hat der Magnet einen unterschiedlichen Wirkungsgrad, niedrig bei großen und hoch bei kleinen Luftspalten. Zur Ausnutzung des guten Wirkungsgrades ist es erforderlich eine Erregerspule mit kleiner Zeitkonstante zu haben, um die notwendige Erregung kurz vor Hubende einzuspeisen.
Ein weiteres Kriterium ist der Ausfall der Spule des Schließmagneten, der einen Totalausfall des entsprechenden Zylinders auch bei 4 Ventilen oder Störungen durch Rückstoß in das Ansaugrohr zur Folge hat. Diese Überlegungen führen zu der erfindungsgemäßen Wicklungsaufteilung mit Umschaltmöglichkeit.
Man kann die beiden Wicklungen im Normalfall parallel schalten, was eine kleinere effektive Zeitkonstante bedeutet und bei Ausfall einer Wicklung auf Einzelansteuerung der anderen Wicklung mit längeren Ansteuerzeiten übergehen, was die effektive Ventilöffnung, das heißt Luftdurchsatz beeinflußt, aber keinen Totalausfall zur Folge hat. Man kann die beiden Wicklungen für den Hubbetrieb parallel schalten und zum Halten in der Endstellung auf Reihenschaltung der Wicklungen übergehen. Man kann die eine Wicklung zur Betätigung einsetzen und die zweite Wicklung als Schnellerregungsspule mit kleiner Zeitkonstante und reduzierter Erregung (Amperewindungszahl) auslegen und diese Spule zur Stellungsregelung oder -Steuerung z.B. bei kleinem Luftspalt benutzen. Auch hier wäre bei Ausfall einer Wicklung die andere nutzbar, um die Funktion der einen Wicklung zu übernehmen
(gegebenenfalls mit längeren Ansteuerzeiten). Schließlich ist es auch möglich, die eine Wicklung als Hauptwicklung zu verwenden, mit der die Hubbewegung durchgeführt wird und die zweite Wicklung als Haltewicklung mit geringerer Stromstärke zu benutzen, was eine Leistungsverkleinerung mit sich bringt. Auch hier können die beiden Wicklungen gegenseitig als Redundanz ausgenutzt werden, wenn die Haltewicklung bei Ausfall der Hauptwicklung mit großer Spannung betrieben wird.
Die Hauptwicklung muß den Strom schnell ansteigen lassen, kann also nicht eine hohe Windungszahl aufweisen. Deshalb ist zur Erzeugung der notwendigen Amperewindungen eine hohe Leistung notwendig. Dagegen hat die Haltewicklung Zeit, um auf die zum Halten notwendige Erregung zu kommen. Die Haltewicklung darf also deutlich mehr Windungen aufweisen, und kommt somit mit deutlich geringerem Strom aus. Die Reduzierung der Halteleistung ist erheblich, sie wird auf ca. 15 bis 20% gegenüber der Verwendung einer Wicklung abgesenkt. Die Stromabsenkung bedeutet jedoch auch eine wesentliche Wärmereduzierung.
Eine weitere Möglichkeit in der Anwendung von mindestens zwei Spulen pro Magnet besteht darin, das Joch zu teilen und hier zwei Wicklungen auf die beiden Jochteile oder je zwei Spulen pro Joch einzusetzen. Dies hat den Effekt, daß bei Aufteilung der Erregung (Amperewindungszahl) pro Joch (halbe Fläche) bei gleicher Windungszahl pro Jochhälfte und doppeltem Widerstand die Zeitkonstante 1/4 beträgt. Wenn diese Aufteilung auf beide Jochhälften erfolgt ist bei Parallelschaltung die effektive Zeitkonstante 1/8 und auch die Redundanz bei Ausfall einer Spule gewährleistet.
Die weiteren Unteransprüche beinhalten günstige Ausgestaltungen und Weiterbildungen. Insbesondere sind dort Möglichkeiten angesprochen, wie man die beiden Wicklungen gemeinsam oder als gegenseitige Redundanz nutzen kann, was von großem Vorteil ist, weil damit der Ausfall einer Spule nicht den Ausfall der gesamten Stelleinrichtung bedeutet. Auch wird dort auf die verschiedenen Betreibungsmöglichkeiten der beiden Wicklungen eingegangen. Oben wurde meist von der Auftei-
lung in zwei Wicklungsteile gesprochen. Es sind noch weitere Aufteilungen auf drei oder mehr Wicklungsteile denkbar.
Die Ausbildung der Ansprüche 20ff bringt eine wesentliche Verringerung des Leistungsbedarfs, die durch den langsamen Aufbau des Magnetfelds mit der relativ großen Zeitkonstante erreicht wird. Durch Verwendung wenigstens zweier Wicklungen und zugehöriger Endstufen und einer entsprechender Schaltung pro Elektromagnet wird eine hohe Ausfallsicherheit erreicht, was zugleich eine wesentliche Verbesserung der Ausfallrate pro Jahr hinsichtlich des kompletten Motorausfalls bedeutet.
Im Normalfall, das heißt, wenn keine Spule oder Endstufe ausgefallen ist, werden abhängig vom Drehzahlbereich und Betriebsmodus (Schalten oder Halten der Magnete) die Magnetspulen einzeln, parallel oder in Reihe geschaltet angesteuert und gegebenenfalls mit unterschiedlichem Spannungsniveau. Damit ergeben sich für das die Magnetkraft bestimmende Produkt Strom I mal Windungszahl n ( I x n ) unterschiedliche elektrische Leistungen und auch Zeitkonstanten. Bei Ausfall einer Spule oder Endstufe muß dann der notwendige Wert des Produkts ( I x n ) durch höhere Spannung und damit Leistung erzeugt werden. Hier ist zwar die notwendige Leistungsaufnahme höher, der Motor kann jedoch weiter betrieben werden und bei nächster Gelegenheit repariert werden.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 den möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Stelleinrichtung
Fig.2 eine Schaltung zur Betätigung der Stelleinrichtung
Fig.3 bis 6 Diagramme zum Aufzeigen unterschiedlicher Ansteuerungen der Wicklungen einer Stelleinrichtung
Fig.7 und 8 Ansteuerschaltungen
Fig.9 eine Schaltung für die spezielle Ansteuerung der
Elektromagnete
Fig.10 ein Diagramm zur Erläuterung
Fig.11 einen Elektromagneten bei dem die beiden
. Magnetjoche unterteilt sind.
In Fig.1 ist eine möglicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung gezeigt. Es sind zwei Magnetkreise 3 und 4 dargestellt, auf denen Wicklungen 11 und 9 aufgebracht sind. Ein Anker 7 ist mittels eines Drehstabs 8 gelagert, der um die Achse 8a verdreht werden kann. Die Magnetpole 3a und 4a sind entsprechend dieser Drehbewegung schräg ausgebildet. Der Drehstab 8 stellt den Anker 7 ohne Ansteuerung einer der Wicklungen 11 oder 9 in die gezeichnete Zwischenstellung. Durch Ansteuerung einer der Wicklungen 9 oder 11 wird der Anker 7 in eine Endstellung in der Nähe der Pole 3a oder 4a gebracht. Der Anker 7 ist mittels eines Käfigs 1 mit dem Drehstab 8 verbunden. Am Anker 7 ist eine Betätigungsstange angelenkt, die mit einem zu betätigenden Ventil 6 über eine Kopplung 5 verbunden ist. Auf den Magnetkreisen 3 und 4 sind zusätzlich Haltewicklungen 10 und 12 aufgebracht, die im Grundsatz dazu dienen den Anker 7 in den Endstellungen festzuhalten. Diese Wicklungen 10 und 12 weisen gegenüber den Wicklungen 9 und 11 eine höhere Windungszahl und damit eine größere Zeitkonstante auf. Die zusätzlichen Wicklungen 10 und 12 können jedoch auch zusammen mit den Wicklungen 9 und 11 gemäß den oben erwähnten Einsatzmöglichkeiten genutzt werden.
In Fig.2 sind links die zwei Hauptwicklungen 9 und 11 und rechts die zwei Haltewicklungen 10 und 11 gezeigt. Diese Wicklungen 9 - 12 werden von einem gemeinsamen μ-Prozessor angesteuert, der in der Zeichnung der einfacheren Darstellung halber in zwei Teile 13a und 13b aufgeteilt ist. Die Hauptwicklungen 9 und 11 werden von dem μ- Prozessorteil 13a über Verstärker 14a und 14b angesteuert, die an einer Spannungsquelle 15 von z. B. 42 Volt liegen. Bei den beiden Hauptwicklungen sind zwei Alternativen für eine Rückmeldung dargestellt, nämlich eine Rückmelderleitung 16 vom Verstärker 14a zur Signalisierung des Stromflusses und eine Rück-
meldeleitung17 vom als Shunt wirkenden Widerstand 18, mittels dem der Spulenstrom gemessen wird.
Die Haltewicklungen 10 und 12 werden über Verstärker 19a und 19b, bzw. 20a und 20b angesteuert. Die Verstärker 19a und 20a liegen an einer Spannungsquelle 21 von z. B. 12V an. Die Verstärker 19b und 20b liegen an der Spannungsquelle 15. Alle Verstärker werden vom μ-Prozessorteil 13b durch- bzw. abgeschaltet. Beiden Wicklungen 10 und 12 sind Shunts 22 bzw. 23 nachgeschaltet. Rückführleitungen 24 bzw. 25 führen zum μ-Prozessorteil 13b zurück.
An die Spannungsquelle 15 ist ein Converter 26 angeschaltet, der die Spannung der Spannungsquelle 15 erhöht, die an den Verstärkern 19b und 20b anliegt. Anhand der Diagramme der Fig.3 bis 6 werden Alternativen der Ansteuerung erläutert. Diese Fig. zeigen Stromverläufe an je einer Hauptwicklung z. B. 9 und der zugehörigen Haltewicklung z. B. 10.
Fig.3 zeigt unten die Ansteuerspannung. Ein Impuls der Spannungsquelle 15 mit der Spannungshöhe U2 wird auf die Verstärker 14 a und 19b gegeben. Dieser Impuls erzeugt in der Hauptspule 14a den Stromveriauf iHs und in der Haltespule 19a den Verlauf iHaS bis zum Zeitpunkt t, . Danach werden auf die Haltespule 19a über dem Verstärker 19a Impulse mit der Amplitude U, der Spannungsquelle 21 gegeben, die den getakteten Stromverlauf in der Haltespule ab t, erzeugen. Hieran anschließen kann sich nach t2 durch Änderung der Ansteuerimpulse ein Takten um einen im Mittel kleineren Stromwert. Für das Takten kann die Leitung 24 benutzt werden, die den oberen und unteren Wert des Wicklungstroms zum μ-Prozessor 13b signalisiert und damit den Verstärker 19a ein- und ausschaltet.
In Fig.4 ist unterstellt, daß durch die Hilfswicklung 19a mit Ihrem Strom iHaS und die Hauptwicklung 14a mit ihrem Strom iHS ab t, zuerst die Haltefunktion gemeinsam bewirken. Ab t2 übernimmt die Haltewicklung 19a allein diese Funktion, und deren Strom wird getaktet. Auch hier kann der Shunt 22 und die Leitung 24 in die Taktung einbezogen sein; desgleichen kann die Leitung 16 für die Hauptspule bzw. eine Ausbildung 17/18 entsprechend der Hauptspule 11 zur Taktung genutzt werden. Im
ersten Fall ist die Endstufe 14a eine moderne Endstufe mit virtuellem Shunt. Diese liefert ein Signal wenn Strom fließt.
Im Fall der Fig.5 ist die Haltewicklung ausgefallen. Hier muß die Hauptwicklung das Halten übernehmen, wozu auf unterschiedlichen Niveau getaktet wird.
Im Fall der Fig.6 ist unterstellt, daß die Hauptwicklung 9 ausgefallen ist, was über die Leitung 16 erkannt wird. Jetzt wird der Converter 26 über eine Steuerleitung 26a eingeschaltet und dessen hohe Spannung U3 auf die Verstärker 19b und 20b gegeben. Jetzt erzeugt diese hohe Spannung einen schnell ansteigenden Impuls vergleichbar mit dem der Fig.3. Danach wird zum Halten wieder getaktet.
Es ist auch möglich zum Anschwingen des Systems, d.h. wenn der Anker aus der Ruhestellung heraus beschleunigt werden soll, beide Spulen hierfür anzusteuern, wozu man vorzugsweise die Haltespule mit einer erhöhten Spannung ansteuert.
Das Ausführungsbeispiel der Fig.7 zeigt wieder einen Mikroprozessor 33 der fünf Endstufen 34a, 34b, 34c, 39 und 40 ansteuert. Die Endstufen sind Endstufen mit integrierten Shunts. Die Endstufe 34c ist einer Hauptwicklung 31 zugeordnet. Die Endstufen 39 und 40 sind den beiden Haltewicklungen 30 und 32 der beiden Magnete zugeordnet. Im Gegensatz zur Fig.2 ist die zweite Hauptwicklung und zwar die für den Magneten, der das Ventil schließt, in zwei Teilwicklungen 29a und 29b aufgeteilt, die auch über getrennte Endstufen 34a und 34b angesteuert werden. Hierdurch wird schneller eine ausreichende Erregung des Magneten erzeugt. Die Aufteilung ist auch bei der anderen Hauptwicklung möglich. Es ist wie in Fig.2 ein Converter 36 vorgesehen. Wie im Fall der Fig.2 können auch hier bei Wicklungsausfall die Wicklungen ausgetauscht werden. In Fig.7 ist auch eine Ansteuerung der Hauptwicklungen 29a, 29b, und 29c mit der hohen Ausgangsspannung des Converters möglich.
Im Ausführungsbeispiel der Fig.8 sind keine Haltespulen vorgesehen. Hier ist unterstellt, daß eine Rasteinrichtung vorgesehen ist, die bei Erreichen der Endstellungen
einrastet und den Anker ohne Erregung festhält. Ein Rastmagnet bewirkt jeweils die Entrastung des Ankers. In Fig.8 ist eine zweigeteilte Hauptwicklung 49a und 49b für den Schließmagneten, eine einteilige Hauptwicklung 49c für den Öffnungsmagneten und aus Redundanzgründen eine zweigeteilte Rastmagnetwicklung 50a und 50b dargestellt. Ansonsten entspricht die Darstellung der Fig.8 der, der Fig.7. Auch hier kann im Falle eines Wicklungsausfalls eine andere Wicklung zum Notbetrieb eingesetzt werden. Diese Anordnung kann auch ohne Rastmagnet und den zugehörigen Spulen 50a und 50b verwendet werden.
In Fig. 9 sind zwei Wicklungen 61 und 62 für einen Elektromagneten gezeigt, die gesteuert von einem Mikroprozessor 63 in verschiedener Weise angesteuert werden können. Die Wicklung 61 kann mittels der Endstufen 64 und 66 gesteuert von Mikroprozessor 63 getrennt mit 42V angesteuert werden. Wahlweise kann über die Endstufen 65 und 66 auch 12V wirksam gemacht werden. Entsprechend kann die Wicklung 62 mittels von Mikroprozessor 63 gesteuerter Endstufe 67 mit 42V angesteuert werden. Mittels der Endstufen 65 und 68 ist eine Ansteuerung der Reihenschaltung der beiden Wicklungen 61 und 62 mit 12V möglich. Über die Leitungen 69 und 70 am Ende der Shunts kann der Mikroprozessor 63 den Ausfall einer der Wicklungen 61 oder 62 und einer Endstufe erkennen und die vorhandene Redundanz durch entsprechende Schaltung ausnutzen.
Darüber hinaus kann gleichzeitig, das heißt in Parallelschaltung, die Spule 61 mit 12V und Spule 62 mit 42V betrieben werden. Damit ergeben sich elektrische Leistungsaufnahmen, die um den Faktor 50 unterschiedlich sind, oder Leistungsunterschiede, die um den Faktor 10 bei gleicher ( I x n) unterschiedlich sind. Die Zeitkonstanten bewegen sich in ungefähr gleichem Verhältnis wie die Leistungen.
Wenn beide Spulen ungleich in der Windungszahl ausgelegt sind, z. B. Wicklung 62 mit höherer Windungszahl um kleine Leistung zum Halten zu erzielen, so muß eine weitere Spannungsquelle 71 mit entsprechen höherer Spannung eingeschaltet werden, damit bei Ausfall der Spule 61 der Stromanstieg in 62 schnell genug erfolgen kann.
Fig.11 zeigt einen Elektromagneten bei dem die beiden Magnetjoche 80 und 81 unterteilt sind. Jedes der Teiljoche 80a und 80b, bzw. 81a und 81 b trägt hier eine Teilwicklung 82a bis 82d. Alle vier Wicklungen zusammen bilden die Wicklung für den Elektromagneten, wobei sich hier mehrere Möglichkeiten der Verschaltung ergeben. Vorzugsweise wird die gezeichnete Parallelschaltung verwendet. Die Erregung pro Jochhälfte wird in beiden Spulen geteilt, so daß z. B. beide zusammen die Windungszahl eines nicht geteilten Joches haben, aber den doppelten Widerstand aufweisen. In der Summe ist die Amperewindungszahl beider Spulen gleich einer Einzelspule pro ungeteiltem Joch. Dadurch ergibt sich die eingangs erwähnte erhebliche Reduzierung der Zeitkonstante.