DE102017011453A1 - Elektromagnetische Vorrichtung zur gesteuerten Krafterzeugung und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung - Google Patents

Elektromagnetische Vorrichtung zur gesteuerten Krafterzeugung und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Aufgabe: Eine Vorrichtung mit einem krafterzeugenden Elektromagneten, die mittels einer nur zweipoligen Leitung zwischen einer ersten elektrischen Steuerung und einer den Elektromagneten enthaltenden Baugruppe sowohl die erforderliche elektrische Energie für den Elektromagneten als auch ein Sollwertsignal zur Kraftsteuerung überträgt und dabei sowohl Änderungen der Spulentemperatur des Elektromagneten als auch Änderungen der Versorgungsspannung ausgleicht.Lösung: Eine elektromagnetische Baugruppe (3) enthält eine zweite elektrische Steuerung (5), die mit der ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist und die Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem geregelten elektrischen Strom beaufschlägt, wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2) geregelt ist. Anwendung: Elektrisch gesteuerte Betätigung von Klappen, Schiebern, Kupplungen, Bremsen und anderen Aggregaten.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische, eine gesteuerte Kraft erzeugende Vorrichtung, die in funktionaler Abhängigkeit von einem elektrischen Signal einer ersten elektrischen Steuerung eine mechanische Kraft an einem Anker eines Elektromagneten erzeugt.
  • Stand der Technik:
  • Elektromagnete werden vielfältig zur gesteuerten Krafterzeugung eingesetzt. Dabei werden sie von einer elektrischen Steuerung mit elektrischer Energie und einem Signal versorgt.
  • Wenn eine vorgegebene Kraft in gesteuerter Weise erzeugt werden soll, ist es erforderlich, die Magnetspule des Elektromagneten mit einem geregelten Strom zu versorgen, weil die Temperatur der Magnetspule des Elektromagneten sich bei seinem Betrieb erhöht und dadurch der Spulenwiderstand sich verändert. Hält man dann die Versorgungsspannung des Elektromagneten konstant, verändert sich dennoch die Kraft, weil der Strom sich vermindert und die Kraft proportional zu dem Strom ist.
  • Bei Anwendungen in Fahrzeugen kommt hinzu, dass sich die Batteriespannung im Betrieb des Fahrzeugs verändert, auch diese Veränderung muss durch eine Regelung des Stroms für die Magnetspule ausgeglichen werden. Steuergeräte, die geeignete geregelte elektrische Ströme erzeugen, sind bekannt und verbreitet, dabei ist es gebräuchlich, schaltende Stromregler zu verwenden, die der zugehörigen elektrischen Spannung eine Pulsweitenmodulation aufprägen:
  • Allerdings sind viele elektrische Steuergeräte, die beispielsweise in Fahrzeugen und fahrenden Arbeitsmaschinen für vielfältige Zwecke ohnehin eingesetzt werden, nicht dazu eingerichtet, einen geregelten Strom an ein zu steuerndes Gerät abzugeben. Übliche Ausgangssignale solcher Steuergeräte sind elektrische Spannungen mit Pulsweitenmodulation, die durch ihr variables Tastverhältnis eine variable effektive Spannung ergeben, allerdings beeinflusst durch die Batteriespannung. Der elektrische Strom stellt sich dann durch die Summe der elektrischen Widerstände im Wirkungskreis ein. Das ergibt keine ausreichend gute Ansteuerung eines proportionalwirkenden Elektromagneten, weil die Spulentemperatur und die Batteriespannung nicht ausgeglichen werden.
  • Bekannt sind Vorrichtungen, die so eingerichtet sind, dass die elektrische Energie und das Signal zur Ansteuerung des Elektromagneten auf unterschiedlichen elektrischen Leitungen zu einer zweiten elektrischen Steuerung übertragen werden, die mit dem Elektromagneten mechanisch und elektrisch verbunden ist, beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2009 029 764 A1 und DE 10 2011 122 363 A1 .
  • Solche bekannten Lösungen der oben genannten Aufgaben bedingen einen technischen und kostenmäßigen Aufwand, der für kleinere Vorrichtungen vermieden werden soll, und sie lassen sich in vielen Fällen nicht mit ohnehin vorhandenen elektrischen Steuerungen verwirklichen.
  • Aufgabe:
  • In einer Vorrichtung mit einem krafterzeugenden Elektromagneten soll mittels einer nur zweipoligen Leitung zwischen einer ersten elektrischen Steuerung und einer den Elektromagneten enthaltenden Baugruppe sowohl die erforderliche elektrische Energie für den Elektromagneten als auch ein Sollwertsignal zur Kraftsteuerung übertragen werden, und dabei sollen sowohl Änderungen der Spulentemperatur des Elektromagneten als auch Änderungen der Höhe der Versorgungsspannung ausgeglichen werden.
  • Lösung:
  • Die auf die Vorrichtung gerichteten Aufgaben werden durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben. Die Ansprüche 10 bis 12 beschreiben Geräte, die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung betätigt werden, und die Ansprüche 13 bis 14 beschreiben Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
  • Die erfindungsgemäße elektromagnetische Vorrichtung enthält mindestens eine erste elektrische Steuerung zur elektrischen Spannungsversorgung sowie zur Bereitstellung eines Sollwertsignals und eine elektromagnetische Baugruppe zur Umwandlung der elektrischen Energie und des Sollwertsignals in eine geregelte mechanische Kraft.
  • Dabei ist das Sollwertsignal als Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation der genannten elektrischen Spannungsversorgung aufgeprägt.
  • Ein vollständiger Puls besteht dabei aus einer aktiven und einer passiven Phase, nur während der aktiven Phase führt der spannungsführende Kontakt der ersten elektrischen Steuerung tatsächlich eine nutzbare Spannung, deren Höhe aber durchaus schwanken kann, beispielsweise bei einer Änderung der Versorgungsspannung der ersten elektrischen Steuerung.
  • In der passiven Phase ist die Spannung Null oder geringer als ein vorgegebener Grenzwert, bei dem eine ausreichend gute Unterscheidung zu der nutzbaren Spannung möglich ist.
  • Die genannte elektromagnetische Baugruppe enthält mindestens einen Elektromagneten, der mit seiner Anordnung aus einem Eisenkreis, einem Magnetpol und einem beweglichen Anker den Magnetfluss einer Magnetspule in eine Kraft wandelt.
  • Die elektromagnetische Baugruppe enthält auch eine zweite elektrische Steuerung, die mit der ersten elektrischen Steuerung durch ein zweiadriges Kabel verbunden ist. Dieses zweiadrige Kabel versorgt die zweite elektrische Steuerung mit ihrer zeitweise aktiven Eingangsspannung und mit ihrem als Tastverhältnis vorliegendem Sollwertsignal.
  • Die zweite elektrische Steuerung beaufschlägt die Magnetspule des Elektromagneten mit einem geregelten elektrischen Strom, wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion des genannten Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der genannten Eingangsspannung geregelt ist.
  • Die genannte Funktion Strom = f (Tastverhältnis) ist vorzugsweise als Tabelle definiert, die in der zweiten elektrischen Steuerung abgelegt ist.
  • Die Regelung des elektrischen Stroms erfolgt in der zweiten elektrischen Steuerung und gleicht sowohl die genannten Schwankungen der Höhe der genannten Spannung als auch Änderungen des elektrischen Widerstands der Magnetspule aus, die durch Änderungen der Spulentemperatur verursacht werden.
  • Die genannte Regelung erfolgt schaltend: Ab Beginn der aktiven Phase des Pulses wird die Magnetspule mit der Eingangsspannung der zweiten elektrischen Steuerung beaufschlagt. Wenn der durch die oben genannte Funktion beschriebene elektrische Stromwert durch die Magnetspule erreicht ist, wird die den Strom antreibende Spannung abgeschaltet. Die Induktivität der Magnetspule hält dann den Strom für den Rest des Pulses annähernd aufrecht.
  • Vorzugsweise ist zweite elektrische Steuerung in einem Zwischensteckergehäuse aufgenommen, das mittels einer ersten zweipoligen Steckverbindung elektrisch und mechanisch mit dem Elektromagneten verbunden ist, und mittels einer zweiten zweipoligen Steckverbindung elektrisch mit dem genannten zweiadrigen Kabel verbunden ist. Wegen dieser elektrischen und mechanischen Verbindung bilden der Elektromagnet und die zweite elektrische Steuerung eine Baugruppe.
  • In einer anderen Ausführung ist die zweite elektrische Steuerung in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Elektromagneten aufgenommen und mittels einer zweipoligen Steckverbindung mit dem genannten zweiadrigen Kabel elektrisch verbunden, wobei die elektrische Verbindung zwischen der zweiten elektrischen Steuerung und der Magnetspule innerhalb des Gehäuses durch Kabel und/oder Stanzgitter vorgenommen ist.
  • Vorzugsweise enthält die zweite elektrische Steuerung mindestens die folgenden elektrischen Bauelemente und/oder Baugruppen:
    • - einen elektrischen Spannungsregler,
    • - einen elektrischen Energiespeicher,
    • - eine elektronische Stromregeleinheit,
    • - eine elektrische Schalteinrichtung, die in Abhängigkeit von Signalen der elektronischen Stromregeleinheit die an der Magnetspule anliegende elektrische Spannung schaltet,
    • - eine elektrische Strommesseinrichtung, die den Strom durch die Magnetspule an die elektronische Stromregeleinheit meldet.
  • Der Spannungsregler versorgt den elektrischen Energiespeicher aus der Eingangsspannung der zweiten elektrischen Steuerung.
  • Der Energiespeicher versorgt die elektronische Stromregeleinheit auch in der passiven Phase des Pulses der Eingangsspannung.
  • Die elektronische Stromregeleinheit nimmt die Stromregelung entsprechend der vorgegebenen Funktion Strom = F (Tastverhältnis) vor, indem aus dem Tastverhältnis eine Sollspannung gebildet und für die folgenden Pulse abgespeichert wird. Die gespeicherte Sollspannung wird mit der Istspannung aus der Strommessung von der elektrischen Strommesseinrichtung verglichen. Die Stromregeleinheit beeinflusst dann die Spannung für die Magnetspule im Sinne einer Regelung durch digitale Signale an die elektrische Schalteinrichtung.
  • Die elektrische Schalteinrichtung beaufschlägt je nach ihrer Ausführung und ihrer Ansteuerung die Magnetspule mit einer den Strom antreibenden oder den Strom bremsenden Spannung oder lässt den Strom durch die Magnetspule frei umlaufen.
  • Die elektrische Strommesseinrichtung wandelt bei möglichst geringem Spannungsverlust den elektrischen Strom durch die Magnetspule in ein elektrisches Spannungssignal, das an die elektronische Stromregeleinheit gemeldet wird.
  • Die Magnetspule, die Strommesseinrichtung, die elektronische Stromregeleinheit und die elektrische Schalteinrichtung bilden einen Regelkreis.
  • Die elektronische Stromregeleinheit ist in einer ersten Ausführung mindestens aus den folgenden Komponenten aufgebaut:
    • - analogwirkenden Operationsverstärkern,
    • - elektrischen Widerständen,
    • - Kondensatoren
    • - und Halbleitern.
  • In einer zweiten Ausführung ist die elektronische Stromregeleinheit mindestens aus den folgenden Komponenten aufgebaut:
    • - digitalwirkenden Gattern zur Informationsverarbeitung,
    • - einer Zeitmesseinrichtung für die Wandlung des PWM-Signals in ein digitales Signal
    • - Signalverstärkern und
    • - einem Analog-Digitalwandler für die Wandlung des Signals der Strommesseinrichtung in ein Digitalsignal
  • In einer dritten Ausführung enthält die elektronische Stromregeleinheit insbesondere einen speicherprogrammierbaren Prozessor. Wenn dieser Prozessor keinen Analog-Digitalwandler aufweist, enthält die elektronische Stromregeleinheit auch einen Analog-Digitalwandler, der mit dem Prozessor elektrisch verbunden ist. Der Prozessor ist so eingerichtet und programmiert, dass er das Signal der Strommesseinrichtung einliest und mit dem Sollwert aus der Pulsweitenmodulation vergleicht, die erforderliche Signalverarbeitung für die Regelung ausführt und die elektrische Schalteinrichtung ansteuert.
  • Die genannte elektrische Schalteinrichtung besteht in einer ersten Ausführung aus einem Schalttransistor, der in Abhängigkeit von einem Signal der elektronischen Stromregeleinheit einen ersten Anschluss der Magnetspule mit dem spannungsführenden Anschluss der zweiten elektrischen Steuerung verbindet, und einer Freilaufdiode, die nach einem öffnen des Schalttransistors einen freien Stromumlauf von einem zweiten Anschluss der Magnetspule zu dem ersten Anschluss der Magnetspule zulässt.
  • Der Schalttransistor ist vorzugsweise als Feldeffekttransistor ausgeführt.
  • In einer zweiten Ausführung besteht die elektrische Schalteinrichtung aus einer Brückenschaltung mit vier Schalttransistoren (H-Brücke), die zeitweise in Abhängigkeit von vier Signalen aus der elektronischen Stromregeleinheit mindestens drei unterschiedliche Beschaltungen der Magnetspule bewirken, nämlich
    • - die Magnetspule mit einer den Strom von ihrem ersten zu ihrem zweiten Anschluss antreibenden Spannung zu beaufschlagen, solange der aus dem oben genannten Tastverhältnis abgeleitete Sollwert des Stroms noch nicht erreicht ist, wobei zwei Schaltransistoren (der erste und der vierte) leitend sind,
    • - die Magnetspule mit einer den genannten Strom abbremsenden Spannung zu beaufschlagen, wenn der Sollwert des Stroms erreicht wurde und die elektrische Spannung auf dem Anschluss der Eingangsspannung der zweiten elektrischen Steuerung noch ansteht, wobei zwei Schalttransistoren (der zweite und der dritte) leitend sind,
    • - der Magnetspule einen freien Stromumlauf zu gestatten, wenn im weiteren Verlauf des Pulses der Pulsweitenmodulation auf dem Anschluss der Eingangsspannung keine elektrische Spannung mehr ansteht, wobei zwei Schalttransistoren leitend sind, der erste und der dritte oder der zweite und der vierte.
  • In einer vorteilhaften Ausführung sind der Elektromagnet und die zweite elektrische Steuerung gemäß dieser Erfindung mit einem Druckregelventil elektrisch und mechanisch verbunden. Dieses Druckregelventil kann ein Druckbegrenzungsventil, ein Druckminderventil, ein Druckregelventil für eine Verstellpumpe (Kompensator) oder eine Kombination aus Druckbegrenzungs- und Druckminderventil sein. Es kann zwei, drei oder vier Anschlüsse aufweisen, je nach seiner Funktion oder der Kombination von Funktionen. Der Elektromagnet steuert dabei gegen eine Rückstellfeder einen der Drücke an dem Druckregelventil.
  • In einer anderen vorteilhaften Ausführung sind der Elektromagnet und die zweite elektrische Steuerung gemeinsam mit einem Durchflussregelventil elektrisch und mechanisch verbunden. Das Durchflussregelventil kann ein Zwei-Wege-Drosselventil sein, ein Zwei-Wege-Stromregelventil, ein Drei-Wege-Stromregelventil oder ein Proportional-Wegeventil mit 2 bis 6 Anschlüssen. Der Elektromagnet steuert dabei gegen eine Rückstellfeder die Öffnung eines Regelquerschnitts in dem Durchflussregelventil.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind der Elektromagnet und die zweite elektrische Steuerung mit einer Hubkolbenpumpe elektrisch und mechanisch verbunden, die von dem Elektromagneten pulsierend gegen eine Rückstellfeder angetrieben wird, wobei die Kraft des Elektromagneten in einen Druck der Hubkolbenpumpe gewandelt wird.
  • Die elektrische und mechanische Verbindung kann dadurch verwirklicht sein, dass die zweite elektrische Steuerung, der Elektromagnet und das benannte hydraulische Gerät (Druckregelventil, Durchflussregelventil oder Hubkolbenpumpe) in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind, oder dadurch, dass nur das hydraulische Gerät mit dem Elektromagneten in einem Gehäuse aufgenommen ist und die zweite elektrische Steuerung in einem Zwischensteckergehäuse aufgenommen ist, das mechanisch und elektrisch mit dem Elektromagneten verbunden ist.
  • Zum Betrieb der erfindungsgemäßen elektromagnetische Vorrichtung mit einer ersten elektrische Steuerung zur Energieversorgung sowie zur Bereitstellung eines Sollwertsignals und einer elektromagnetischen Baugruppe zur Umwandlung der elektrischen Energie und des Sollwertsignals in eine geregelte mechanische Kraft wird in der ersten elektrischen Steuerung das Sollwertsignal als Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannungsversorgung aufgeprägt.
  • Dabei enthält die genannte elektromagnetische Baugruppe mindestens einen Elektromagneten, der mit seiner Anordnung aus einem Eisenkreis, einem Magnetpol und einem beweglichen Anker den Magnetfluss einer Magnetspule in eine Kraft wandelt.
  • In einer ebenfalls in der elektromagnetischen Baugruppe enthaltenen zweiten elektrischen Steuerung wird das als Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation auf dem elektrischen Kabel vorliegende Sollwertsignal von einer elektronischen Stromregeleinheit signalverarbeitend im Zusammenwirken mit einer Strommesseinrichtung und einer Schalteinrichtung in einen geregelten Strom durch die Magnetspule gewandelt, vorzugsweise durch die Nutzung einer abgespeicherten Tabelle.
  • Bei dieser Signalwandlung wird eine stetige und lineare Funktion benutzt, die relativ zum Ursprung der Funktion (Strom = f(Tastverhältnis)) in die Richtung zu einem höheren Tastverhältnis so weit verschoben ist, dass die Zeit für die notwendige Bestromung der Magnetspule immer kürzer ist als die Pulsdauer des Sollwertsignals.
  • Dabei wird nach dem Auftreten einer positiven Flanke des Sollwertsignals zu Beginn des Pulses die Schalteinrichtung durch die Stromregeleinheit veranlasst, die Magnetspule mit einer positiven elektrischen Spannung aus der Eingangsspannung der zweiten elektrischen Steuerung zu beaufschlagen.
  • Nach dem Erreichen einer der oben genannten Funktion entsprechenden Stromstärke veranlasst die Stromregeleinheit die Schalteinrichtung, die Beaufschlagung der Magnetspule mit der den Strom antreibenden Spannung zu beenden.
  • In einem weiterentwickelten Betriebsverfahren der elektromagnetischen Vorrichtung überwacht die Stromregeleinheit während eines vollständigen Pulses der Eingangsspannung den Verlauf des Stroms durch die Magnetspule, und bildet aus dem Größenverhältnis des Mittelwerts des Stroms während des Pulses zu dem Strom zum Zeitpunkt der Abschaltung der antreibenden Spannung eine Korrekturtabelle, mit der für die folgenden Pulse die Funktion (Strom = f(Tastverhältnis)) so korrigiert wird, dass nicht mehr der Höchstwert des Stroms durch die Magnetspule, sondern der zeitliche Mittelwert des Stroms der vorgegebenen Funktion des Tastverhältnisses entspricht. Durch diese Kompensation lässt sich die Genauigkeit der Signalwandlung von dem PWM-Signal zu der Kraft am Anker verbessern.
  • In einem weiteren weiterentwickelten Betriebsverfahren der elektromagnetischen Vorrichtung mit einer Schalteinrichtung, die aus einer Brückenschaltung mit vier Schalttransistoren besteht, steuert die Stromregeleinheit den Strom durch die Magnetspule zeitweise in der folgenden Weise:
    • - Solange der aus dem Tastverhältnis abgeleitete Sollwert des Stroms noch nicht erreicht ist, wird die Magnetspule mit einer den Strom antreibenden Spannung beaufschlagt, wobei zwei Schaltransistoren (der erste und der vierte) leitend angesteuert werden, und die Magnetspule daher über ihren ersten Anschluss mit der Eingangsspannung der zweiten elektrischen Steuerung und über ihren zweiten Anschluss mit der Nullspannung verbunden werden.
    • - Wenn der genannte Sollwert erreicht wurde und die Spannung auf dem spannungsführenden Anschluss der Eingangsspannung noch ansteht, wird die Magnetspule mit einer den Strom abbremsenden Spannung beaufschlagt, wobei zwei Schalttransistoren (der zweite und der dritte) leitend angesteuert werden, und die Magnetspule über ihrem ersten Anschluss mit der Nullspannung und über ihren zweiten Anschluss mit der Eingangsspannung verbunden werden.
    • - Wenn im weiteren Verlauf des Pulses der Pulsweitenmodulation auf dem spannungsführenden Anschluss der Eingangsspannung keine Spannung mehr ansteht, verschafft die Stromregeleinheit der Magnetspule einen freien Stromumlauf von ihrem zweiten Anschluss zu ihrem ersten Anschluss, wobei zwei Schalttransistoren, nämlich der erste und der dritte, oder der zweite und der vierte, leitend angesteuert werden.
  • Anwendung:
  • Vorrichtungen der beschriebenen Art kommen zur Betätigung von Klappen, Schiebern, Kupplungen, Bremsen, Hubkolbenpumpen und anderen Aggregaten zum Einsatz, bevorzugt in solchen Einsatzfeldern, in denen ein proportionales elektrisches Signal für die Betätigung übertragen und gewandelt wird.
  • Figurenliste
    • 1: Schematische Darstellung der gesamten Vorrichtung in der Ausführung mit Zwischenstecker
    • 2: Schematische Darstellung in der Ausführung mit gemeinsamem Gehäuse für Elektromagnet und zweiter elektrischer Steuerung.
    • 3: Schaltbild der zweiten elektrischen Steuerung in der Ausführung mit einem Schalttransistor
    • 4: Schaltbild der zweiten elektrischen Steuerung in der Ausführung mit einer Brückenschaltung von vier Schalttransistoren
    • 5: Grafik der Funktion des Spulenstroms in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation.
    • 6: Schematische Darstellung eines Druckregelventils mit Betätigung durch einen Elektromagneten, der mit der zweiten elektrischen Steuerung verbunden ist.
    • 7: Schematische Darstellung eines Durchflussregelventils mit Betätigung durch einen Elektromagneten, der mit der zweiten elektrischen Steuerung verbunden ist.
    • 8: Schematische Darstellung einer Hubkolbenpumpe mit Betätigung durch einen Elektromagneten, der mit der zweiten elektrischen Steuerung verbunden ist.
  • Die beispielhafte elektromagnetische Vorrichtung (1) gemäß 1 enthält eine erste elektrische Steuerung (2) zur elektrischen Spannungsversorgung sowie zur Bereitstellung eines Sollwertsignals und eine elektromagnetische Baugruppe (3) zur Umwandlung der elektrischen Energie und des Sollwertsignals in eine geregelte mechanische Kraft.
  • Dabei ist das Sollwertsignal als Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannungsversorgung aufgeprägt.
  • Die elektromagnetische Baugruppe (3) enthält einen Elektromagneten (4), der mit seiner Anordnung aus einem Eisenkreis (11), einem Magnetpol (15) und einem beweglichen Anker (12) den Magnetfluss einer Magnetspule (13) in eine Kraft wandelt.
  • Die elektromagnetische Baugruppe (3) ist mechanisch und elektrisch mit einer zweiten elektrischen Steuerung (5) verbunden, die mit der ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist und die Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem elektrischen Strom beaufschlägt.
  • Dabei regelt die zweite elektrische Steuerung (5) den elektrische Strom entsprechend einer Funktion des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2).
  • In der Ausführung gemäß 1 ist die zweite elektrische Steuerung (5) in einem Zwischensteckergehäuse (7) aufgenommen, das mittels einer ersten zweipoligen Steckverbindung (8) elektrisch und mechanisch mit dem Elektromagneten (4) verbunden ist und mittels einer zweiten zweipoligen Steckverbindung (9) elektrisch mit dem zweiadrigen Kabel (6) verbunden ist. Die zweite Steckverbindung (9) weist einen ersten Anschluss (27) für die Versorgungsspannung und das Signal und einen zweiten Anschluss (28) für die Nullspannung auf.
  • In der Ausführung gemäß 2 ist die zweite elektrische Steuerung (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) mit dem Elektromagneten (4) aufgenommen und mittels einer zweipoligen Steckverbindung (9) über ihre beiden Anschlüsse (27 und 28) mit dem zweiadrigen Kabel (6) elektrisch verbunden. Dabei ist die elektrische Verbindung zwischen der zweiten elektrischen Steuerung (5) und der Magnetspule (13) innerhalb des Gehäuses (14) durch Kabel und/oder Stanzgitter vorgenommen.
  • Die zweite elektrische Steuerung (5) in der Ausführung gemäß 3 oder 4 wird über die Kontakte (27 und 28) mit elektrischer Energie und mit dem Sollwertsignal versorgt und enthält mindestens die folgenden elektrischen Bauelemente und/oder Baugruppen:
    • - einen elektrischen Spannungsregler (21),
    • - einen elektrischen Energiespeicher (22) zur Versorgung der elektronischen Stromregeleinheit (23), wenn die Versorgungsspannung aus dem Kabel (6) nicht ansteht,
    • - die elektronische Stromregeleinheit (23),
    • - eine elektrische Schalteinrichtung (24), die in Abhängigkeit von Signalen der elektronischen Stromregeleinheit (23) die an der Magnetspule (13) anliegende elektrische Spannung schaltet und über die zugeordneten Kontakte (31, 32) an die Magnetspule leitet,
    • - eine elektrische Strommesseinrichtung (25), die den Strom durch die Magnetspule (13) an die elektronische Stromregeleinheit (23) meldet.
  • Die beiden Ausführungen der 3 und 4 unterscheiden sich darin, wie die Schalteinrichtung (24) ausgeführt und mit der elektronischen Stromregeleinheit verbunden ist. Bei der Ausführung gemäß 3 enthält die Schalteinrichtung nur einen Schalttransistor (33) und eine Freilaufdiode (34), während in der Ausführung gemäß 4 die Schalteinrichtung (24) aus einer H-Brückenschaltung von vier Schalttransistoren (41, 42, 43, 44) besteht.
  • Die elektrische Schalteinrichtung (24) in der Ausführung gemäß 3 besteht aus einem Schalttransistor (33), der in Abhängigkeit von einem Signal der elektronischen Stromregeleinheit (23) den ersten Anschluss (31) der Magnetspule (13) mit dem spannungsführenden Anschluss (27) der zweiten elektrischen Steuerung (5) verbindet, und einer Freilaufdiode (34), die nach einem Öffnen des Schalttransistors (33) einen freien Stromumlauf von dem zweiten Anschluss (32) der Magnetspule (13) zu dem ersten Anschluss (31) der Magnetspule zulässt.
  • In der Ausführung gemäß 4 besteht die Schalteinrichtung (24) aus vier Schalttransistoren (41, 42, 43, 44), die als H-Brücke angeordnet sind und eine Beaufschlagung der Magnetspule (13) mit elektrischer Spannung in mindestens drei verschiedenen Betriebsarten ermöglicht:
    1. a. Die Magnetspule (13) wird mit einer den Strom antreibenden Spannung beaufschlagt, wobei zwei Schaltransistoren (41 und 44) leitend sind.
    2. b. Die Magnetspule (13) wird mit einer den Strom abbremsenden Spannung beaufschlagt, wobei zwei Schalttransistoren (42 und 43) leitend sind,
    3. c. Der Magnetspule (13) wird ein freier Stromumlauf gestattet, wobei zwei Schalttransistoren (41 und 43) oder (42 und 44) leitend sind.
  • Die zweite elektrische Steuerung (5) soll unter allen üblichen Betriebsbedingungen der elektromagnetischen Vorrichtung (1) die Magnetspule (13) mit einem geregelten Strom versorgen, der einer stetigen Funktion des Tastverhältnisses des Sollwertsignals entspricht. Damit auch bei den dafür ungünstigsten Betriebsbedingungen, nämlich bei minimaler Versorgungsspannung der ersten elektrischen Steuerung (2) und bei maximaler Spulentemperatur der Magnetspule (13) eine ausreichende Zeit zur Versorgung der Magnetspule (13) innerhalb des Pulses des Sollwertsignals zur Verfügung steht, wird eine aus dem Ursprung (0, 0) des Diagramms der Funktion Strom = f (Tastverhältnis) verschobene Funktion gemäß 5 verwendet, die auch für den Fall, dass kein Strom durch die Magnetspule (13) fließen soll, noch Energie für den Betrieb der elektronischen Stromregeleinheit (23) bereitstellt.
  • Die elektronische Regeleinheit (23) besteht vorzugsweise aus einem speicherprogrammierbaren Prozessor (26), der vorteilhafterweise auch einen Analog-Digital-Wandler für die Messung der Spannung über der Strommesseinrichtung (25) aufweist.
  • Es sind aber auch andere Ausführungen der elektronischen Regeleinheit (23) möglich, nämlich mit analogen Bauelementen oder mit digitalen Bauelementen zur Abbildung der Funktion der Regeleinheit (23). Bei der Verwendung von digitalen Bauelementen ist mindestens ein Analog-Digital-Wandler einzusetzen, der auch zum Einsatz kommt, wenn der Prozessor (26) keine Vorrichtung zur Wandlung einer elektrischen Spannung in ein digitales Signal enthält.
  • In der Ausführung gemäß 6 ist der Elektromagnet (4) mit einem Druckregelventil (51) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) aufgenommen. Der Elektromagnet (4) betätigt das Druckregelventil (51) gegen die Rückstellfeder (45).
  • Dabei ist der Elektromagnet (4) mechanisch und elektrisch mit der zweiten elektrischen Steuerung (5) verbunden, die mit der ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist, wobei die zweite elektrische Steuerung (5) eine Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem elektrischen Strom beaufschlägt, und wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2) geregelt ist.
  • In der Ausführung gemäß 7 ist der Elektromagnet (4) mit einem Durchflussregelventil (52) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) aufgenommen. Der Elektromagnet (4) betätigt das Durchflussregelventil (52) gegen die Rückstellfeder (45).
  • Dabei ist der Elektromagnet (4) mechanisch und elektrisch mit einer zweiten elektrischen Steuerung (5) verbunden, die mit einer ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist, wobei die zweite elektrische Steuerung (5) eine Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem elektrischen Strom beaufschlägt, und wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2) geregelt ist.
  • In der Ausführung gemäß 8 ist der Elektromagnet (4) mit einer Hubkolbenpumpe (53) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) aufgenommen. Der Elektromagnet (4) betätigt die Hubkolbenpumpe (53) gegen die Rückstellfeder (45).
  • Dabei ist der Elektromagnet (4) mechanisch und elektrisch mit einer zweiten elektrischen Steuerung (5) verbunden, die mit einer ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist, wobei die zweite elektrische Steuerung (5) eine Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem elektrischen Strom beaufschlägt, und wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2) geregelt ist.
  • Die angegebenen Beispiele für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) sind nicht als abschließend anzusehen, es sind auch andere vorteilhafte Funktionsverbindungen der Vorrichtung (1) mit anderen Aggregaten vorstellbar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Elektromagnetische Vorrichtung
    2.
    Erste elektrische Steuerung
    3.
    Elektromagnetische Baugruppe
    4.
    Elektromagnet
    5.
    Zweite Elektrische Steuerung
    6.
    Kabel
    7.
    Zwischensteckergehäuse
    8.
    Steckverbindung
    9.
    Steckverbindung
    11.
    Eisenkreis
    12.
    Anker
    13.
    Magnetspule
    14.
    Gehäuse
    15.
    Magnetpol
    21.
    Spannungsregler
    22.
    Energiespeicher
    23.
    Stromregeleinheit
    24.
    Schalteinrichtung
    25.
    Strommesseinrichtung
    26.
    Prozessor
    27.
    Anschluss Versorgungsspannung und Signal
    28.
    Anschluss Null
    31.
    Anschluss Magnetspule
    32.
    Anschluss Magnetspule
    33.
    Schalttransistor
    34.
    Freilaufdiode
    35.
    Brückenschaltung
    41.
    Schalttransistor
    42.
    Schalttransistor
    43.
    Schalttransistor
    44.
    Schalttransistor
    45.
    Rückstellfeder
    51.
    Druckregelventil
    52.
    Durchflussregelventil
    53.
    Hubkolbenpumpe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009029764 A1 [0006]
    • DE 102011122363 A1 [0006]

Claims (15)

  1. Elektromagnetische Vorrichtung (1), die mindestens eine erste elektrische Steuerung (2) zur elektrischen Spannungsversorgung sowie zur Bereitstellung eines Sollwertsignals und eine elektromagnetische Baugruppe (3) zur Umwandlung der elektrischen Energie und des Sollwertsignals in eine geregelte mechanische Kraft enthält, wobei das Sollwertsignal als Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannungsversorgung aufgeprägt ist, und wobei die elektromagnetische Baugruppe (3) mindestens einen Elektromagneten (4) enthält, der mit seiner Anordnung aus einem Eisenkreis (11), einem Magnetpol (15) und einem beweglichen Anker (12) den Magnetfluss einer Magnetspule (13) in eine Kraft wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Baugruppe (3) eine auch zweite elektrische Steuerung (5) enthält, die mit der ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist und die Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem geregelten elektrischen Strom beaufschlägt, wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus dem Spannungseingang der zweiten elektrischen Steuerung (5) geregelt ist.
  2. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Steuerung (5) in einem Zwischensteckergehäuse (7) aufgenommen ist, das mittels einer ersten zweipoligen Steckverbindung (8) elektrisch und mechanisch mit dem Elektromagneten (4) verbunden ist und mit diesem dadurch eine Baugruppe bildet, wobei die zweite elektrische Steuerung (5) mittels einer zweiten zweipoligen Steckverbindung (9) elektrisch mit dem zweiadrigen Kabel (6) verbunden ist.
  3. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Steuerung (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) mit dem Elektromagneten (4) aufgenommen ist und mittels einer zweipoligen Steckverbindung (9) mit dem zweiadrigen Kabel (6) elektrisch verbunden ist, wobei die elektrische Verbindung zwischen der zweiten elektrischen Steuerung (5) und der Magnetspule (13) innerhalb des Gehäuses (14) durch Kabel und/oder Stanzgitter vorgenommen ist.
  4. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektrische Steuerung (5) mindestens die folgenden elektrischen Bauelemente und/oder Baugruppen enthält: - einen elektrischen Spannungsregler (21), - einen elektrischen Energiespeicher (22), - eine elektronische Stromregeleinheit (23), - eine elektrische Schalteinrichtung (24), die in Abhängigkeit von Signalen der elektronischen Stromregeleinheit (23) die an der Magnetspule (13) anliegende elektrische Spannung schaltet, - eine elektrische Strommesseinrichtung (25), die den Strom durch die Magnetspule (13) an die elektronische Stromregeleinheit (23) meldet.
  5. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Stromregeleinheit (23) mindestens aus - analogwirkenden Operationsverstärkern, - elektrischen Widerständen, - Kondensatoren - und Transistoren aufgebaut ist.
  6. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Stromregeleinheit (23) mindestens aus - digitalwirkenden Gattern, - Signalverstärkern und - einem Analog-Digitalwandler aufgebaut ist.
  7. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Stromregeleinheit (23) insbesondere aus einem speicherprogrammierbaren Prozessor (26) und einem Analog-Digitalwandler aufgebaut ist, soweit der Analog-Digitalwandler außerhalb des Prozessor (26) vorhanden ist.
  8. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schalteinrichtung (24) aus einem Schalttransistor (33) besteht, der in Abhängigkeit von einem Signal der elektronischen Stromregeleinheit (23) einen ersten Anschluss (31) der Magnetspule (13) mit dem spannungsführenden Anschluss (27) der zweiten elektrischen Steuerung (5) verbindet, und einer Freilaufdiode (34), die nach einem Öffnen des Schalttransistors (33) einen freien Stromumlauf von einem zweiten Anschluss (32) der Magnetspule (13) zu dem ersten Anschluss (31) der Magnetspule zulässt.
  9. Elektromagnetische Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schalteinrichtung (24) aus einer Brückenschaltung (35) mit vier Schalttransistoren (41, 42, 43, 44) besteht, die zeitweise in Abhängigkeit von vier Signalen aus der elektronischen Stromregeleinheit (23) mindestens drei unterschiedliche Beschaltungen der Magnetspule (13) bewirken.
  10. Druckregelventil (51), ein Gehäuse (14) aufweisend, das auch einen das Druckregelventil (51) beaufschlagenden Elektromagneten (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (4) mechanisch und elektrisch mit einer zweiten elektrischen Steuerung (5) verbunden ist, die mit einer ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist, wobei die zweite elektrische Steuerung (5) eine Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem elektrischen Strom beaufschlägt, und wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2) geregelt ist.
  11. Durchflussregelventil (52), ein Gehäuse (14) aufweisend, das auch einen das Durchflussregelventil (52) beaufschlagenden Elektromagneten (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (4) mechanisch und elektrisch mit einer zweiten elektrischen Steuerung (5) verbunden ist, die mit einer ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist, wobei die zweite elektrische Steuerung (5) eine Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem elektrischen Strom beaufschlägt, und wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2) geregelt ist.
  12. Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe (53), ein Gehäuse (14) aufweisend, das auch einen die Hubkolbenpumpe (53) antreibenden Elektromagneten (4) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (4) mechanisch und elektrisch mit einer zweiten elektrischen Steuerung (5) verbunden ist, die mit einer ersten elektrischen Steuerung (2) durch ein zweiadriges Kabel (6) verbunden ist, wobei die zweite elektrische Steuerung (5) eine Magnetspule (13) des Elektromagneten (4) mit einem elektrischen Strom beaufschlägt, und wobei der elektrische Strom entsprechend einer Funktion eines Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation der elektrischen Spannung aus der ersten elektrischen Steuerung (2) geregelt ist.
  13. Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetische Vorrichtung (1), enthaltend mindestens eine erste elektrische Steuerung (2) zur Energieversorgung sowie zur Bereitstellung eines Sollwertsignals und eine elektromagnetische Baugruppe (3) zur Umwandlung der elektrischen Energie und des Sollwertsignals in eine geregelte mechanische Kraft, wobei das Sollwertsignal als Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation der elektrischen Energieversorgung aufgeprägt ist, und wobei die elektromagnetische Baugruppe (3) mindestens einen Elektromagneten (4) enthält, der mit seiner Anordnung aus einem Eisenkreis (11), einem Magnetpol (15) und einem beweglichen Anker (12) den Magnetfluss einer Magnetspule (13) in eine Kraft wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass das als Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation auf der elektrischen Eingangsspannung einer zweiten elektrischen Steuerung vorliegende Sollwertsignal von einer elektronischen Stromregeleinheit (23) signalverarbeitend im Zusammenwirken mit einer Strommesseinrichtung (25) und einer Schalteinrichtung (24) in einen geregelten Strom durch die Magnetspule (13) gewandelt wird, entsprechend einer stetigen und linearen Funktion, die relativ zum Ursprung der Funktion (Strom = f(Tastverhältnis)) in die Richtung zu einem höheren Tastverhältnis so weit verschoben ist, dass die Zeit für die notwendige Bestromung der Magnetspule (13) immer kürzer ist als die Dauer des aktiven Pulses der Eingangsspannung, wobei nach dem Auftreten einer positiven Flanke der pulsweitenmodulierten Eingangsspannung die Stromregeleinheit (23) die Schalteinrichtung (24) veranlasst, die Magnetspule (13) mit einer positiven elektrischen Spannung aus dem spannungsführenden Anschluss (27) der Eingangsspannung zu beaufschlagen, und wobei nach dem Erreichen einer der oben genannten Funktion entsprechenden Stromstärke die Stromregeleinheit (23) die Schalteinrichtung (24) veranlasst, die Beaufschlagung der Magnetspule (13) mit der den Strom antreibenden Spannung zu beenden.
  14. Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetische Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregeleinheit (23) während eines vollständigen Pulses der Versorgungsspannung den Verlauf des Stroms durch die Magnetspule (13) überwacht, und aus dem Größenverhältnis des Mittelwerts des Stroms während des vollständigen Pulses zu dem Strom zum Zeitpunkt der Abschaltung der antreibenden Spannung eine Korrekturtabelle bildet, mit der für die folgenden Pulse die Funktion (Strom = f(Tastverhältnis)) so korrigiert wird, dass nicht mehr der Höchstwert des Stroms durch die Magnetspule (13), sondern der zeitliche Mittelwert des Stroms der vorgegebenen Funktion des Tastverhältnisses entspricht.
  15. Verfahren zum Betrieb einer elektromagnetische Vorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (24) aus einer Brückenschaltung (35) mit vier Schalttransistoren (41, 42, 43, 44) besteht, die es der Stromregeleinheit (23) ermöglichen, - die Magnetspule (13) mit einer den Strom antreibenden Spannung zu beaufschlagen, solange der aus dem Tastverhältnis abgeleitete Sollwert des Stroms noch nicht erreicht ist, wobei zwei Schaltransistoren (41 und 44) leitend sind, - die Magnetspule (13) mit einer den Strom abbremsenden Spannung zu beaufschlagen, wenn der Sollwert erreicht wurde und die Spannung auf dem die Eingangsspannung führenden Anschluss (27) noch ansteht, wobei zwei andere Schalttransistoren (42 und 43) leitend sind, - der Magnetspule (13) einen freien Stromumlauf zu gestatten, wenn im weiteren Verlauf des Pulses der Pulsweitenmodulation auf dem spannungsführenden Anschluss (27) keine Spannung mehr ansteht, wobei zwei Schalttransistoren (41 und 43) oder zwei andere Schalttransistoren (42 und 44) leitend sind.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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