WO2001026122A1 - Elektromagnetische stelleinrichtung - Google Patents

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WO2001026122A1
WO2001026122A1 PCT/EP2000/009792 EP0009792W WO0126122A1 WO 2001026122 A1 WO2001026122 A1 WO 2001026122A1 EP 0009792 W EP0009792 W EP 0009792W WO 0126122 A1 WO0126122 A1 WO 0126122A1
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WO
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winding
armature
electromagnetic
actuating device
actuator according
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PCT/EP2000/009792
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Leiber
Thomas Leiber
Original Assignee
Heinz Leiber
Thomas Leiber
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Application filed by Heinz Leiber, Thomas Leiber filed Critical Heinz Leiber
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • 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
    • H01F7/1805—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current
    • H01F7/1827—Circuit arrangements for holding the operation of electromagnets or for holding the armature in attracted position with reduced energising current by changing number of serially-connected turns or windings

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic actuating device with the features of the preamble of claim 1.
  • the electromagnets of electromagnetic actuators e.g. B. for the valve controls of an internal combustion engine are characterized in that they have to apply a relatively high force m for a short time.
  • the dynamics of the build-up and breakdown of the magnetic force resulting primarily from the design of the excitation coil and the available supply voltage, is generally not sufficient. Inadequate dynamics cause difficulties in the so-called soft-touch control, that is to say the valve must arrive at the end position, namely fully open or closed, at a low speed, so that the armature or the valve opens at only a low speed he follows. This is necessary for noise reduction but also for
  • An electromagnetic actuating device is known from 099/06677, in which two windings per magnet are used. One winding has the task of compensating for the energy loss caused by friction and gas forces. The other winding is a high-speed excitation winding with a low time constant, which is used to regulate or control the armature position.
  • the invention is based on this prior art. From the same document it is also known to use one winding for realizing the flight phase and the other only as a holding winding.
  • the invention is based on the object of optimizing the embedding of the armature m at the end positions at low impact speeds and of ensuring that the armature m of the end position is held securely.
  • winding used above assumes that a winding is a coil or a coil combination, the active turns of which each determine a magnetic flux.
  • coil combination is also intended to include the use of a coil with a tap. Due to its low number of turns, the above-mentioned high-speed coil has a very small time constant compared to the first winding and also contributes a smaller proportion of the flow compared to the first winding.
  • the power stage circuits mentioned in claim 2 and 3 enable different operating states, with which, on the one hand, the normal control and, in addition, the operation with the fast excitation coil is made possible.
  • Operating state BZ
  • the faster degradation of the magnetic field of the first winding mentioned can be changed by changing the discharge time constant by switching the operating state of the output stage circuits mentioned, or alternatively by switching off via a Zener diode, but also by generating an opposing field by a further coil, which can also be the high-speed excitation coil. be achieved.
  • the field of the first coil is superimposed on an opposing field of an opposing coil
  • the above-mentioned faster build-up of the magnetic field is achieved by switching on the high-speed excitation coil by switching the output stage circuit mentioned to the operating state of the booster mode.
  • Booster operation can also be operated with high voltage to strengthen the magnetic force build-up.
  • the build-up of magnetic force can be achieved by generating an opposing field of a further coil, which can also be a high-speed excitation coil.
  • the invention thus also uses at least two excitation coils.
  • a (first) winding is used for the normal lifting movement and for holding the armature. If the armature movement is accelerated within the scope of the soft touch control, the fast excitation winding is switched on, which has a relatively small time constant and also realizes only part of the flow (ampere turn number). This makes it possible to quickly correct the anchor in the approach phase m the end position quickly, in the quicker
  • FIGS. 1 a and 1b show different embodiments of an electromechanical control device in which the invention can be applied.
  • Fig. Lc the interconnection of an electro-mechanical actuator and a control device
  • 3a and 3b show various possible output stage circuits for operation
  • Fig.la two two-pole electromagnets 1 and 2 are shown, which have two windings 3 and 4. These magnets 1 and 2 act on an armature 5 which is pivotally mounted about a pivot axis 6. Two oppositely directed spring forces act on the armature, which are generated at least partially by a torsion spring 7 acting on the armature 5.
  • the armature 5 acts on the stem 9 of a valve of an internal combustion engine via an actuating part 8.
  • At least the closing magnet 1 should be equipped with two windings 3, 4, because if the first winding fails, the high-speed winding can also take over the holding function important for the motor as redundancy. The fast excitation winding must then also be dimensioned accordingly in this regard.
  • FIG. 1b shows another electromechanical actuator known from DE 19825728, in which the actuation of the actuator by the armature 5 is directly follows and an upper and lower return spring generate the restoring force 7, 7 ⁇ of the armature 5.
  • the control of the control device takes place via a control device which consists of a control device 15 and the output stage circuits 14, 16 or alternatively an integrated output stage circuit for both electromagnets.
  • the excitation coils of the actuator 19 are conductively connected to the power output stages via cables, with one or more lines 17 leading to the excitation coils (each) of a magnet and depending on the number of excitation coils per electromagnet and at least one line 18 from the (the) Excitation coil (s) of a magnet leads back to the output stage circuit.
  • control device 15 measuring points of current and voltage drops at the excitation coils or possibly other measured quantities are recorded and / or signals from a superordinate control device (not shown) for engine operating functions are recorded and control signals are generated, the dependence of which controls the two excitation coils of the control device.
  • the control unit contains regulators, the controlled variables Rl, R2, and possibly further controlled variables Ri for the upper power output stage and Rl ⁇ and R2 ⁇ and possibly Ri ⁇ for the lower power output stage.
  • Measured variables of a position or speed sensor which detects the position / speed of the armature 5/5 ⁇ of the electrical actuator 19, are conceivable as further controlled variables.
  • the controller supplies the control signals on the control lines L1, L2 and possibly further control lines Li for the upper power output stage 14 as well as the control signals L1 ', L2' and possibly further control lines Li for the lower line.
  • Stungsendeck 16 via which the control unit are conductively connected to the power output stages.
  • the transistors of the output stage circuit are switched on via the control lines.
  • FIGS. 2a and 2b show two ways of forming windings 3 and 4. In the case of FIG. 2a, two independent windings 10 and 11 are provided, which can be switched on separately.
  • the winding 10 has fewer turns and thus a smaller time constant and serves as a high-speed winding.
  • the first winding is formed by the windings 12 and 13 connected in series and the winding 13 which can be switched on separately is the fast-excitation winding here.
  • the design of FIG. 2b has the advantage that when both windings 12 and 13 are used, the entire winding space is used for the flooding during the flight phase and for holding.
  • Fig.3a shows the structure of a power amplifier circuit, in which it is assumed that both electromagnets are each operated by their own power amplifier circuit.
  • the structure of an output stage circuit shown comprises a chopper transistor TR1, a booster transistor TR3 and a third transistor TR2, with their corresponding switching resistances rdsonl, rdson2 and rdson3.
  • the gate connections of the transistors are electrically connected to the control lines L1, L2 and L3.
  • the output stage circuit comprises a feedback diode D1 and a free-wheeling diode D2 and one or more measuring resistors R meS ⁇ i and R me ss2.
  • the excitation coil is divided into a primary winding Wl with inductor L_W1 and its resistor R_W1 and a secondary winding W2 with inductor L_W2 and resistor R_W2.
  • the excitation coils are designed as two coils connected in series.
  • the power output stage can be controlled in five different operating states, each of which is characterized by the respective switching state of the transistors TR 17 TR 2 and TR 3 .
  • the operating states are idle state (RZ), magnetizing (AMZ), freewheeling (FL), booster operating state (BZ) and hard shutdown with fast current recirculation (SSR).
  • the respective transistor is conductive from its dram connection to the source connection. If there is a low voltage potential at the gate connection, the transistor blocks from its drain connection to its source connection.
  • the chopper transistor TR1 and the freewheeling transistor TR2 are operated in a conductive manner, while the booster transistor TR3 is not operated in a conductive manner.
  • the current then flows from a voltage source with the potential of the supply voltage through the transistor TRl, the two excitation coil windings Wl and W2, the transistor TR2 and the measuring resistor R mess hm to a ground connection which is at a reference potential.
  • the transistor TR 2 is operated in a conductive manner and the transistors TR1 and TR3 are not conductive.
  • the freewheeling diode D2 becomes conductive and the current through the first excitation coil takes the measuring resistor as a function of the losses in the resistance of the excitation coils, the transistor TR 2 R meSs i and R meSs2 and the freewheeling diode D2.
  • the magnetic field of the coils is depleted.
  • the booster transistor TR1 In the operating state of the booster mode (BZ), which is generally initiated after the freewheeling phase FL, the booster transistor TR1 is operated together with the freewheeling transistor TR2, while the chopper transistor TRl is not switched.
  • the current increase in the pulse current depends on the ratio of the number of turns of the winding W2 to that of the windings W1 and W2 and increases with an increasingly smaller ratio.
  • This current I ⁇ m generates a voltage in the coil Wl, which drives a secondary current I sek through both coils in the same direction as the pulse current I ⁇ m when the switching transistor TRl is blocked.
  • the magnetization is accelerated by this reaction of the winding W2 on the winding W1.
  • FIG.3b An alternative power amplifier circuit, with which both electromagnets can be operated, is shown in Fig.3b.
  • This power amplifier circuit can be used if the excitation coils of the upper and lower magnets are not energized at the same time.
  • the output stage circuit consists of a chopper transistor TR1, with which the excitation coils Wla / Wlb and W2a / W2b of the two electromagnets are controlled.
  • a freewheeling transistor TR2 ⁇ and TR3 ⁇ is provided for each electromagnet, and each booster transistor TR4 and TR5.
  • a free-wheeling diode D2 ⁇ for both electromagnets and a return diode Dl ⁇ and D3.
  • the diodes can be replaced by one or more power transistors.
  • the same operating conditions as with the embodiment of FIG. 3a are possible.
  • the circuit has the advantage that considerably fewer components are required than if an output stage circuit is used for each electromagnet, so that the costs are significantly reduced.
  • FIG. 4a shows the typical increase in ampere turns (AW) during the flight phase, that is to say when the armature, affected by gas and frictional forces, moves from one end position to the other.
  • AW ampere turns
  • Booster mode BZ may occur several times (also with e) as a result of the deviation from the setpoint.
  • the activation in the area of the stroke end position with small air gaps is particularly advantageous for a high power yield.
  • the high dynamics of the current increase is advantageous for fine control to achieve low impact speeds or to prevent the anchor from falling off the end positions.
  • FIG. 4b shows a control sequence that is comparable to the initial phase with FIG. 4a.
  • the control sequence differs in that after the current has been clocked at c, the current is rapidly reduced by the operating state SSR and the magnetic energy is returned to the supply network. At d, the target-actual deviation that has occurred is corrected. At f it is switched off again via SSR. At g the current starts pulsing at the holding current level with which the armature is held in the end position.
  • the control sequence shown in FIG. 4b has the advantage in comparison to FIG. 4a that shorter flight times can be achieved.

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Abstract

Es wird ein elktromagnetisches Stellglied beschrieben, bei dem die Wicklungen in wenigstens zwei Teilwicklungen aufgeteilt sind und bei dem die eine Wicklung eine Schnellerregerwicklung mit kleiner Zeitkonstanten ist. Die eine Wicklung wird während der Flugphase zur Energiezufuhr und zum Halten des Ankers in den Endstellungen benutzt, während die Schnellerregerwicklung zur Schnellkorrektur der Ankerenergie verwendet wird.

Description

Elektromagnetische Stelleinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Die Elektromagnete von elektromagnetischen Stellemrich- tungen, z. B. für die Ventilsteuerungen eines Verbrennungsmotors sind dadurch gekennzeichnet, daß sie eine relativ hohe Kraft m kurzer Zeit aufbringen müssen. Die sich vor allem aus der Gestaltung der Erregerspule und der zur Verfugung stehenden Versorgerspannung ergebende Dynamik des Magnetkraftauf- und abbaus ist m der Regel nicht ausreichend. Eine unzureichende Dynamik bereitet Schwierigkeiten bei der sogenannten Soft-Touch-Regelung, das heißt das Ventil muß eweils m die Endlage, nämlich ganz geöffnet oder geschlossen, mit kleiner Geschwmdig- keit ankommen, damit das Aufschlagen des Ankers oder auch des Ventils mit nur kleiner Geschwindigkeit erfolgt. Dies ist notwendig zur Gerauschminimierung aber auch zur Redu-
BESDfrlGUNGSKOPK zierung der mechanischen Belastung des elektromagnetischen Ventiltriebs . Zusätzlich kann eine nicht ausreichende Dynamik dazu fuhren, daß der Anker nicht sicher m der Endlage gehalten werden kann, da die zum Halten er- forderliche Magnetkraft nicht ausreichend schnell aufgebaut werden kann.
Stand der Technik:
Zur Regelung unter Berücksichtigung des Soft-Touches ist es bekannt, dieses Problem durch Schnellerregung über ho- here Spannung und Ubererregung zu losen, das heißt es wird wahrend der sogenannten Flugphase zur Korrektur der Abweichung der Ist- von der Sollposition, bzw.- geschwmdigkeit mehr elektrische Energie eingesteuert. Ohne den Einsatz einer höheren Spannung ist die Korrek- turmoglichkeit durch die zu Verfugung stehende Versorgerspannung, die Zeitkonstante der Erregerspule und die Schaltmoglichkeiten der Endstufenbeschaltung begrenzt. Aus der DE 19836769 ist es bekannt, eine H-Brucke als Endstufenbeschaltung f r den Betrieb eines elektromecha- nischen Stellgerats einzusetzen. Beim Einsatz der H-
Brucke ist die Korrekturmoglichkeit durch die Versorgerspannung und die Zeitkonstante der Erregerspule begrenzt. Die übliche Versorgerspannung von 12V bis maximal 42V ist gegebenenfalls nicht ausreichend, um ein Halten des Ankers an der Endlage sicher zu gewährleisten, bzw. um eine Soft-Touch-Regelung mit sehr geringen Aufsetzgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Zur Losung ist es aus der DE 19701471 AI eine Endstufenbeschaltung bekannt, in der ein Kondensator eingesetzt wird, um die zur Korrektur er- forderliche Überspannung zu erzeugen. . Diese Maßnahme mit erhöhter Spannung macht die Endstufen teuer und erfordert mehr Aufwand für die Isolation.
Aus der 099/06677 ist eine elektromagnetische Stelleinrichtung bekannt, bei der zwei Wicklungen pro Magnet ver- wendet werden. Die eine Wicklung hat die Aufgabe den durch Reibung und Gaskrafte verursachten Energieverlust auszugleichen. Die andere Wicklung ist eine Schnellerregerwicklung mit einer geringen Zeitkonstante, die zur Regelung oder Steuerung der Ankerstellung benutzt wird. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus. Aus der gleichen Schrift ist es auch bekannt, die eine Wicklung zur Realisierung der Flugphase und die andere nur als Haltewicklung zu benutzen.
Beschreibung der Erfindung:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Emrege- lung des Ankers m die Endlagen bei niedrigen Auftreffgeschwindigkeiten zu optimieren und ein sicheres Halten der Anker m der Endlage zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost .
Bei dem oben verwendeten Ausdruck, , Wicklung" ist unterstellt, daß eine Wicklung eine Spule oder eine Spulenkombination ist, deren aktive Windungen jeweils einen Ma- gnetfluß bestimmen. Der Begriff Spulenkombination soll auch die Verwmdung einer Spule mit einem Abgriff umfassen . Die oben erwähnte Schnellerregerspule weist auf Grund ihrer geringen Windungszahl eine gegenüber der ersten Wicklung sehr kleine Zeitkonstante auf und tragt auch einen gegenüber der ersten Wicklung kleineren Anteil an der Durchflutung bei.
Die m Anspruch 2 und 3 erwähnten Endstufenbeschaltungen ermöglichen verschiedene Betriebszustande, mit dem zum einen die normale Regelung und zusatzlich der Betrieb mit der Schnellerregerspule ermöglicht wird. Zur normalen Re- gelung für eine Fang- und Haltephase stehen die Betriebszustande Magnetfeldaufbau (Aufmagnetisieren = AMZ), langsamer Magnetfeldabbau (Freilauf = FL) und schneller Magnetfeldabbau (hartes Abschalten mit Stromruckfuhrung = SSR) zur Verfugung, mit denen der Magnetkraftauf- und - abbau gesteuert werden. Die Funktion (Booster-
Betπebszustand = BZ) wird zur Soft-Touch-Regelung und zur Sicherstellung des Haltens des Ankers m den Endlagen eingesetzt .
Der erwähnte schnellere Abbau des Magnetfelds der ersten Wicklung kann durch Änderung der Entladezeitkonstanten durch Umschalten des Betriebszustandes der erwähnten Endstufenbeschaltungen, oder alternative durch Abschalten über eine Zenerdiode, aber auch durch Erzeugen eines Gegenfelds durch eine weiter Spule, die auch die Schneller- regerspule sein kann, erzielt werden. In diesem Fall wird dem Feld der ersten Spule ein Gegenfeld einer gegen geschalteten Spule überlagert
Der erwähnte schnellere Aufbau des Magnetfeldes wird durch Einschalten der Schnellerregerspule durch Umschal- ten der erwähnten Endstufenbeschaltung auf den Betriebszustand des Boosterbetriebs erzielt. Zur weiteren Ver- Stärkung des Magnetkraftaufbaus kann der Boosterbetrieb zusatzlich mit Hochspannung betrieben werden. Letztlich kann der Magnetkraftaufbau durch Erzeugen eines Gegenfeldes einer weiteren Spule, die auch eine Schnellerreger- spule sein kann, erzielt werden.
Die Erfindung benutzt somit, wie erwähnt, mindestens auch zwei Erregerspulen. Eine (erste) Wicklung wird für die normale Hubbewegung und für das Halten des Ankers benutzt. Sollte die Ankerbewegung beschleunigt werden im Rahmen der Softtouchregelung, wird die Schnellerregerwicklung eingeschaltet, die eine relativ kleine Zeitkonstante aufweist und auch nur einen Teil der Durchflutung, (Amperewindungszahl) realisiert. Dadurch ist es möglich den Anker in der Annaherungsphase m die Endstellung kurzfristig schnell zu korrigieren, in dem schneller
Kraftanstieg durch die Schnellerregerwicklung ermöglicht wird. Außerdem ist es möglich, bei Gefahr des Abfallens des Ankers aus der Endlage mit Hilfe der Schnellerregerwicklung schnell eine Durchflutung aufzubauen, um das Ab- fallen des Ankers zu verhindern. Auf der anderen Seite kann gegebenenfalls überschüssige Magnetenergie abgebaut werden, indem nach dem Abschalten des Magneten m der Flugphase und Abbau der Magnetenergie über eine Freilauf- diode kurzfristig eingegriffen wird, indem auf einen an- deren Betriebszustand der Endstufenbeschaltung (z.B. SSR) umgeschaltet wird, über Zenerdiode abgeschaltet wird, oder durch eine Feldumkehr ein schneller Abbau des Magnetfeldes und damit eine Kraftanderung erfolgt.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Er- findung naher erläutert.
Es zeigen: Fig. la und Fig. lb verschiedene Ausfuhrungsformen eines elektromechani sehen Stellgerats, bei dem die Erfindung angewendet werden kann. Fig. lc die Zusammenschaltung eines elektro- mechanischen Stellgerats und einer Steuereinrichtung
Fig.2 mögliche Ausbildungen der Wicklungen
Fig.3a und Fig.3b verschiedene mögliche Endstufen- beschaltungen zum Betrieb
Fig.4 ein Kraftdiagramm zur Erläuterung der
Wirkungsweise
In Fig.la sind zwei zweipolige Elektromagnete 1 und 2 gezeigt, die e zwei Wicklungen 3 und 4 aufweisen. Diese Magnete 1 und 2 wirken auf einen Anker 5 ein, der um eine Schwenkachse 6 schwenkbar gelagert ist. Auf den Anker wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte ein, die wenigstens teilweise durch eine auf den Anker 5 wirkende Torsionsfeder 7 erzeugt werden. Der Anker 5 wirkt über ein Betatigungsteil 8 auf den Schaft 9 eines Ventils eines Verbrennungsmotors ein. Wenigstens der Schließmagnet 1 sollte mit zwei Wicklungen 3, 4 ausgestattet sein, weil hier bei Ausfall der ersten Wicklung, die Schnellerregerwicklung als Redundanz zusätzlich die f r den Motor wichtige Haltefunktion übernehmen kann. Die Schnellerregerwicklung muß dann auch m dieser Hinsicht entsprechend dimensioniert sein.
In Fig. lb ist ein anderes aus DE 19825728 bekanntes elektromechanisches Stellgerat dargestellt, m dem die Betätigung des Stellgliedes durch den Anker 5 direkt er- folgt und eine obere und untere Ruckstellfeder die Ruckstellkraft 7, 7Λ des Ankers 5 erzeugen.
Die Ansteuerung des Stellgerats erfolgt in Fig.lc über eine Steuereinrichtung, die aus einer Steuereinrichtung 15 und den Endstufenbeschaltungen 14, 16 oder alternativ aus einer integrierten Endstufenbeschaltung für beide Elektromagnete besteht. Die Erregerspulen des Stellgerats 19 sind mit den Leistungsendstufen über Kabel leitend verbunden, wobei m Abhängigkeit der Anzahl der Er- regerspulen j e Elektromagnet eine oder mehrere Leitungen 17 zu der (den) Erregerspulen j e eines Magneten fuhren und mindestens eine Leitung 18 von der (den) Erregerspule (n) eines Magneten zurück zur Endstufenbeschaltung fuhrt. In der Steuereinrichtung 15 werden Meßstellen von Strom und Spannungsabfallen an den Erregerspulen oder gegebenenfalls anderer Meßgroßen erfaßt und/oder Signale von einer nicht dargestellten übergeordneten Steuerereinrichtung für Motorbetriebsfunktionen erfaßt und Stellsignale erzeugt, m deren Abhängigkeit die beiden Erreger- spulen des Stellgerats gesteuert werden. Die Steuereinheit beinhaltet Regler, deren Regelgroßen Rl, R2 , und gegebenenfalls weitere Regelgroßen Ri für die obere Leistungsendstufe und Rl Λ und R2 λ und gegebenenfalls Ri λ für die untere Leistungsendstufe sind. Als weitere Regelgro- ßen sind beispielsweise Meßgroßen eines Positions- oder Geschwindigkeitssensors denkbar, der die Position/Geschwindigkeit des Ankers 5/5 λ des elektrischen Stellgerates 19 erfaßt. Der Regler liefert die Steuersignale auf den Steuerleitungen Ll, L2 und gegebenenfalls weiteren Steuerleitungen Li für die obere Leistungsendstufe 14 sowie die Steuersignale Ll', L2' und gegebenenfalls weiteren Steuerleitungen Li für die untere Lei- stungsendstufe 16, über die die Steuereinheit mit den Leistungsendstufen leitend verbunden sind. Über die Steuerleitungen werden die Transistoren der Endstufenbeschaltung eingeschaltet. Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei Mog- lichkeiten der Ausbildung der Wicklungen 3 und 4. Im Falle der Fig. 2a sind zwei voneinander unabhängige Wicklungen 10 und 11 vorgesehen, die getrennt einschaltbar sind. Die Wicklung 10 weist weniger Windungen und damit eine kleinere Zeitkonstante auf und dient als Schnellerreger- Wicklung. In der Fig. 2b wird die erste Wicklung durch die hintereinander geschalteten Wicklungen 12 und 13 gebildet und die getrennt einschaltbare Wicklung 13 ist hier die Schnellerregungswicklung . Die Ausbildung der Fig. 2b hat den Vorteil, daß bei Einsatz beider Wicklun- gen 12 und 13 wahrend der Flugphase und zum Halten der gesamte Wickelraum für die Durchflutung benutzt wird.
Der n Fig.3a zeigt den Aufbau einer Endstufenbeschaltung, bei der unterstellt ist, daß beide Elektromagnete jeweils durch eine eigene Endstufenbeschaltung betrieben werden. Der dargestellte Aufbau einer Endstufenbeschaltung umfaßt einen Chopper-Transistor TR1 einen Boostertransistor TR3 und einen dritten Transistor TR2 , mit ihren entsprechenden Schaltwiderstanden rdsonl, rdson2 und rdson3. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren sind mit den Steuerleitungen Ll, L2 und L3 elektrisch leitend verbunden. Ferner umfaßt die Endstufenbeschaltung eine Ruck- fuhrdiode Diode Dl und eine Freilaufdiode D2 sowie einen oder mehrere Meßwiderstande RmeSΞi und Rmess2 Anstelle der beiden Dioden können ein oder zwei Leistungstransistoren eingesetzt werden, was m Hinblick auf die Integπerbar- keit der Schaltung und der elektrischen Verluste gegebenenfalls vorteilhaft ist. Die Erregerspule ist unterteilt in eine Primärwicklung Wl mit der Induktivität L_W1 und ihrem Widerstand R_W1 und eine Sekundärwicklung W2 mit der Induktivität L_W2 und dem Widerstand R_W2. Die Erregerspulen sind m diesem Fall als zwei m Reihe geschal- tete Spulen ausgeführt. Die Leistungsendstufe kann in fünf verschiedenen Betπebszustanden gesteuert werden, die jeweils charakterisiert sind durch den jeweiligen Schaltzustand der Transistoren TRl7 TR2 und TR3. Die Be- tπebszustande sind Ruhezustand (RZ), Aufmagnetisieren (AMZ) , Freilauf (FL) , Booster-Betriebszustand (BZ) sowie hartes Abschalten mit schneller Stromruckfuhrung (SSR) . Liegt an den Gate-Anschlüssen der vorzugsweise als MOS- Transistor ausgebildeten Transistoren TRl, TR2 und TR3, ein hohes Spannungspotential an, so ist der jeweilige Transistor von seinem Dram-Anschluß zur Source-Anschluß leitend. Liegt am Gate-Anschluß ein niedriges Spannungspotential an, so sperrt der Transistor von seinem Drain- Anschluß zu seinem Source-Anschluß.
Im Betriebszustand des Ruhezustandes RZ sind alle Transi- stören TRl, TR2 und TR3 nicht leitend und der Strom durch die Erregerspule Wl und W2 ist ebenfalls Null.
Im Betriebszustand des Aufmagnetisierens AMZ werden der Chopper-Transistor TRl und der Freilauftransistor TR2 leitend betrieben, wahrend der Boostertransistor TR3 nicht leitend betrieben wird. Der Strom fließt dann von einer Spannungsquelle mit dem Potential der Versorgerspannung durch den Transistor TRl, die beiden Erregerspulenwicklungen Wl und W2, den Transistor TR2 und den Meßwiderstand Rmess hm zu einem Masseanschluß, der auf einem Bezugspotential liegt. Im Betriebszustand des Freilaufs FL wird der Transistor TR2 leitend betrieben und die Transistoren TRl und TR3 nicht leitend. Fließt im Zeitpunkt des Überganges m den Betriebszustand des Freilaufs FL ein Strom durch die bei- den Erregerspulenwicklungen, so wird die Freilaufdiode D2 leitend und der Strom durch die erste Erregerspule nimmt abhangig von den Verlusten im Widerstand der Erregerspulen, dem Transistor TR2, den Meßwiderstand RmeSsi und RmeSs2 und der Freilaufdiode D2 ab. Das Magnetfeld der Spulen erfahrt einen Feldabbau.
Im Betriebszustand des Boosterbetriebs (BZ), der m der Regel nach der Freilaufphase FL eingeleitet wird, wird der Boostertransistor TRl gemeinsam mit dem Freilauftran- sistor TR2 betrieben, wahrend der Chopper-Transistor TRl nicht geschaltet ist. In dem Moment wo der Schalttransistor TR3 durch gesteuert wird, fließt ein schnell ansteigender Impulsstrom Iιm durch die Wicklung W2. Der Stromanstieg des Impulsstroms hangt ab von dem Verhältnis der Windungszahl der Wicklung W2 zu dem der Wicklungen Wl und W2 und nimmt mit zunehmend kleinerem Verhältnis zu. Dieser Strom Iιm erzeugt in der Spule Wl eine Spannung, welche bei gesperrtem Schalttransistor TRl in der gleichen Richtung wie der Impulsstrom Iιm einen Sekundarstrom Isek durch beide Spulen treibt. Durch diese Ruckwirkung der Wicklung W2 auf die Wicklung Wl wird die Aufmagnetisie- rung beschleunigt.
Im Betriebszustand der schnellen Stromruckfuhrung SSR werden alle Transistoren TRi, TR2 und TR3 nicht leitend betrieben. Fließt beim Übergang in diesen Betriebszustand der schnellen Stromruckfuhrung SSR ein Strom durch die Erregerspulen, so werden die Freilaufdiode D2 und die Diode Dl leitend. Der Strom fließt dann von dem Bezugspo- tential über die Freilaufdiode D2 hm zu den Erregerspulenwicklungen über den Meßwiderstand RmeSs2 über die Diode Dl hm zur Spannungsquelle mit dem Spannungspotential der negativen Versorgerspannung Uv. Wird die Erregerspule nicht in Sättigung betrieben, so ist der Spannungsabfall der Erregerspule gleich der negativen Versorgerspannung Uv zuzüglich der negativen Durchlasspannungen der Freilaufdiode Dl und der Diode D2.
Eine alternative Endstufenbeschaltung, mit der beide Elektromagnete betrieben werden können, ist m Fig.3b dargestellt. Diese Endstufenbeschaltung ist einsetzbar, wenn die Erregerspulen des oberen und unteren Magneten nicht gleichzeitig bestromt werden. Die Endstufenbeschal- tung besteht aus einem Chopper-Transistor TRl, mit dem die Erregerspulen Wla/Wlb und W2a/W2b der beiden Elektromagnete angesteuert werden. Ferner ist für jeden Elektromagnet ein Freilauftransistor TR2 λ und TR3 Λ vorgesehen, sowie je e n Boostertransistor TR4 und TR5. Vorgesehen ist ebenfalls eine Freilaufdiode D2 λ für beide Elektromagnete und je eine Ruckfuhrdiode Dl λ und D3 . Die Dioden können wie in Fig.3a durch einen oder mehrere Leistungstransistoren ersetzt werden. Mit dieser Ausfuhrung der Endstufenbeschaltung sind die gleichen Betπebszu- stände wie bei der Ausfuhrung der Fig.3a möglich. Die Be- schaltung hat den Vorteil, daß erheblich weniger Bauelemente benotigt werden als wenn je eine Endstufenbeschaltung je Elektromagnet eingesetzt wird, so daß die Kosten deutlich reduziert werden.
Anhand der Fig. 4a und 4b sind mögliche Regelablaufe erläutert. Dort ist oben über der Zeit t der auf den Anker durch die Erregerspulenwicklungen erzeugte Strom bzw. die Durchflutung durch die Erregerspulenwicklungen (Amper- ewmdungszahl AW) und darunter die Schaltzustande der Transistoren und die Betriebszustande der Leistungsend- stufe am Beispiel der Endstufenbeschaltung aus Fig.3a dargestellt .
Fig. 4a zeigt den typischen Amperewindungsanstieg (AW) wahrend der Flugphase, das heißt wenn der Anker beeinträchtigt von Gas- und Reibungskräften sich von der einen Endstellung in die andere bewegt. Zum Zeitpunkt a setzt mit Einschaltung der beiden Leistungstransistoren TRl und TR2 der Stromanstieg ein. Der Strom geht m diesem Fall durch die Wicklung Wl und Wicklung W2. Ab Zeitpunkt b wird der Strom durch Transistor TRl getaktet (bzw. ge- choppert), das heißt der Strom, bzw. die Amperewindungszahl wird im Mittel konstant gehalten. Dazu werden die Transistoren abwechselnd zwischen den Betπebszustanden AMZ und FL umgeschaltet. Zum Zeitpunkt c werden beide Erregerspulenwicklungen im Freilauf FL abgeschaltet. Der Strom klingt entsprechend der Spannungsabfalle an den
Dioden und dem Transistor TR2 ab. Im Zeitpunkt d wird m der Regelung eine negative Istwert Abweichung erkannt, z B daß die Ankergeschwindigkeit zu gering ist oder der Sollweg nicht erreicht ist. In diesem Fall wird kurzzei- tig der Betriebszustand BZ wirksam gemacht. Der Strom fließt dann durch den Transistor TRl und die Wicklung W2 und wird durch die induzierte Spannung in der Wicklung Wl verstärkt. Dies fuhrt zu einem hochdynamischen Anstieg des Stromes, bzw. der Durchflutung. Der Boosterbetrieb BZ geschieht gegebenenfalls mehrere Male (auch bei e) als Folge der Abweichung vom Sollwert. Die Einschaltung im Bereich der Hubendlage bei kleinen Luftspalten ist beson- ders vorteilhaft für eine hohe Kraftausbeute. Außerdem ist die hohe Dynamik des Stromanstieges vorteilhaft zur Feinregelung zum Erzielen von kleinen Auftreffgeschwm- digkeiten bzw. zum Verhindern des Ankerabfall von den Endlagen.
Zum Zeitpunkt f wird ein Überschuß an Magnetenergie, das heißt Geschwindigkeit erkannt. In diesem Fall wird über den Betriebszustand SSR der Strom in den Spulen schnell reduziert, das heißt hart abgeschaltet. Zum Zeitpunkt g setzt wiederholt das Takten des Stroms ein, mit dem der Anker m der Endstellung gehalten wird. Der Strom fließt dann wieder durch beide Wicklungen Wl und W2 der Erregerspule .
In Fig.4b ist ein m der Anfangsphase mit Fig.4a ver- gleichbarer Regelablauf dargestellt. Der Regelablauf unterscheidet sich dadurch, daß nach dem Takten des Stromes bei c der Strom durch den Betriebszustand SSR schnell abgebaut wird und die Magnetenergie ms Versorgernetz ruck- gefuhrt wird. Bei d wird die aufgetreten Soll-Ist- Abweichung korrigiert. Bei f wird nochmals über SSR abgeschaltet. Bei g setzt das Takten des Stromes auf dem Hal- testromniveau ein, mit dem der Anker in der Endlage gehalten wird. Der m Fig.4b dargestellt Regelablauf hat im Vergleich zu Fig.4a den Vorteil, daß kürzere Flugzeiten erzielt werden können.

Claims

Patentansprüche
1) Elektromagnetische Stelleinrichtung mit wenigstens einem Elektromagneten (1, 2) und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflachen durch Elektromagnetkraft hm- und her bewegbaren Anker (5), der ohne Ansteuerung der Wicklung (3, 4) des wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) durch zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte (7) m einer Zwischenstellung gehalten wird und nach Erreichen einer Endstellung wenigstens m der Nahe der Polflachen des wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) bei vermindertem Strom festgehalten wird, wobei die Wicklung (3, 4) des wenigstens einen Elektromagneten (1, 2) wenigstens zwei getrennt einschaltbare Wicklungen (3, 4) aufweist, von denen eine erste (11, 12 + 13) zur Hubbewegung ausgenutzt wird und eine zweite, eine Schnellerre- gungswicklung (10; 13) mit gegenüber der ersten Wicklung kleiner Zeitkonstante ist, die zur Regelung oder Steuerung der Ankerstellung eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (11; 12 + 13) auch zum Festhalten des Ankers (5) m der Endstellung bei vermindertem Strom benutzt wird, und daß die Schnellerregerwicklung (10; 13) zur Korrektur einer Sollwertabweichung kurzzeitig eingeschaltet wird.
2) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerschaltung (15) für die Wicklungen (10, 11; 12, 13) vorgesehen ist, die abwechselnd vier verschiedene Betπebszu- stande erzeugen kann, nämlich:
a) Magnetkraftaufbau durch Erregung der ersten Wicklungen (11; 12 + 13) mittels der Betriebsspannung U-. (Betriebszustand AMZ) b) schneller Magnetkraftaufbau durch Erregung der Schnellerregerspule (10; 13) mittels der Betriebsspannung (Betriebszustand BZ) c) langsamer Magnetkraftabbau m der ersten Wicklung (11; 12 + 13) (Betriebszustand FL) d) schnellerer Abbau des Magnetfelds m der ersten Wicklung (11; 12 + 13) (Betriebszustand SSR)
und daß die einzelnen Betriebszustande entsprechend den Erfordernissen der Bewegung des Ankers (5) wirk- sam gemacht werden.
3) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Betriebszustand a) bewirkende Endstufe (TRl) auch zur Ansteuerung der ersten Wicklung des andern Elektromagneten ausgenutzt wird.
4) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Freilaufglied ( D2 ) m den Betriebsphasen b) , c) , d) zur Ansteuerung der Wicklungen der anderen Elektromagneten ausgenutzt wird.
5) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellen einer positiven Sollwertabweichung kurz- zeitig auf den schnelleren Abbau des Magnetfelds (Be- triebszustand d) umgeschaltet wird.
6) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum schnellen Abbau des Magnetfeldes (Betriebszustand d) eine Zenerdiode wirksam gemacht wird bzw. dient.
7) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Feststellen einer negativen Sollwertabweichung kurzzeitig auf einen schnelleren Aufbau des Magnetfeldes mittels der
Schnellerregerwicklung (10;oder 13) umgeschaltet wird (Betriebszustand b) .
8) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der schnelle Aufbau des Magnetfelds durch die Schnellerregerspule zusätzlich durch Spannungsuberhohung unterstutzt wird.
9) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der schnelle Feldaufbau durch Feldumkehr und/oder durch das Erregerfeld einer weiteren Wicklung, gegebenenfalls einer Schnellerregerwicklung, erfolgt.
10) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der schnelle Feldaufbau durch ein Gegenfeld einer weite- ren Wicklung, gegebenenfalls einer Schnellerregerwicklung, erfolgt.
11) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (11) und die Schnellerregerwicklung (10) getrennte Wicklungen sind.
12) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung als Hintereinanderschaltung der
Schnellerregerwicklung (13) und einer weiteren Wicklung (12) ausgebildet ist oder durch eine Wicklung mit einem Abgriff realisiert ist.
13) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der schnelle Feldabbau der ersten Wicklung (11; 12 + 13) durch ein Gegenfeld erfolgt.
14) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldabbau der ersten Wicklung (11; 12 + 13) durch ein Gegenfeld einer weiteren Wicklung, insbesondere der Schnellerregerwicklung, erfolgt.
15) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen der Endlage des Ankers (5) der Strom getaktet wird.
16) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ansteuern der ersten Wicklung (11; 12 + 13) mit Dauerstrom und dem Abschalten des Stroms eine getaktete Phase des Ansteuerstroms eingeschaltet ist.
17) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausfall der ersten Wicklung (11; 12 + 13), insbesondere des Schließmagneten eine andere Wicklung, insbesondere die Schnellerregerwicklung (10; 13) die Halte- funktion übernimmt .
18) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Ankerposition von Sollpositionen überwacht wird.
19) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Abweichung der Ankergeschwindigkeit von Sollgeschwm- digkeiten überwacht wird.
20) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (5) auf den Ventilschaft (9) eines Verbrennungsmotors einwirkt.
21) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise der Elektromagnet (1), der zum Schließen des Ventils eingesetzt wird, mit den mehreren Wicklungen (10, 11; 12, 13) ausgerüstet ist.
22) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellerregerwicklung (10, 13) zur Soft-touch Rege- lung bei der Annäherung des Ankers (5, 5Λ) an die
Endlage ein- oder mehrmalig kurzzeitig zur Korrektur der Position und/oder Geschwindigkeit eingeschaltet wird. 23) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellerregerwicklung (10, 13) bei Erkennen eines ungewunschen Ablosens desAnkers von den ndlagen kurz- zeitig zum Einfangen des Ankers eingeschaltet wird.
24) Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellerregerspule (10, 13) vorzugsweise bei kleinen Luftspalten zugeschaltet wird.
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