DE19529151A1 - Verfahren zum Schalten eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Description

Bei einem elektromagnetischen Aktuator, der zwei Elektro­ magneten aufweist, zwischen denen gegen die Kraft jeweils einer Rückstellfeder ein Anker als Betätigungsmittels hin- und herbewegt wird, besteht häufig die Anforderung, hohe Schaltgeschwindigkeit bei gleichzeitig hohen Schaltkräften zu realisieren.

Derartige elektromagnetische Aktuatoren werden beispielsweise zur Betätigung der Gaswechselventile an Kolbenbrennkraftmaschi­ nen eingesetzt, wobei das jeweilige Gaswechselventil über den Anker des zugehörigen elektromagnetischen Aktuators betätigt wird. Der Anker, der durch die Kräfte der Rückstell­ feder seine Ruheposition zwischen den beiden Elektromagneten hat, wird wechselweise durch den einen oder den anderen Magneten angezogen, so daß das Gaswechselventil entsprechend in der Schließstellung bzw. in der Öffnungsstellung gehalten wird. Soll das Ventil jeweils betätigt werden, beispielsweise aus der geschlossenen in die geöffnete Position bewegt werden, wird der Haltestrom durch den einen als Schließmagne­ ten fungierenden Elektromagneten abgeschaltet. Hierdurch fällt die Haltekraft des Magneten unter die Federkraft ab und der Anker beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers durch seine Ruheposition wird der "Flug" des Ankers durch die Federkraft der gegenüberliegenden Rückstellfeder abgebremst. Um nun den Anker in der Öffnungsposition des Gaswechselventils zu fangen und den Anker zu halten, wird der andere, als Öffnermagnet fungierende Elektromagnet bestromt.

Um nun den Anker sicher zu fangen, muß aufgrund des induk­ tiven Verhaltens der Spulen der Elektromagneten entweder die Bestromung bereits sehr früh begonnen werden, damit der Strom rechtzeitig die erforderliche Höhe erreicht, oder es muß durch eine relativ hohe Spannung ein steiler Stromanstieg bewirkt werden. Dies kann man durch Bereitstel­ lung einer zweiten hohen Versorgungsspannung realisieren. Der hier für erforderliche zusätzliche Bauaufwand kann grund­ sätzlich durch ein sehr frühes Einschalten des Stromes zu dem fangenden Elektromagneten eingespart werden. Dies ist allerdings energetisch ungünstig, da der Strom sich dann über einen relativ langen Zeitraum aufbaut, in dem dann hohe Verluste entstehen. Außerdem muß bei diesen Einsatz­ fällen für die Einhaltung bestimmter Betriebsweisen der Strom bereits eingeschaltet werden, wenn der Strom durch den gegenüberliegenden Magneten noch nicht eingeschaltet ist. Dies ist beispielsweise erforderlich, wenn zum Starten aus der Ruhelage durch wechselseitiges Erregen der beiden Magnete mit etwa der eigenen Resonanzfrequenz des Feder- Masse-Systems geschwungen werden soll.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ohne zusätz­ lichen Energieaufwand einen schnellen Stromanstieg am jeweils fangenden Elektromagneten zu bewirken.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jeweils beim Abschalten der Stromversorgung zu dem einen Elektromagneten und Zuschalten des anderen Elektro­ magneten an die Stromversorgung über die sich an der Spule des abgeschalteten Elektromagneten aufbauende Spannung ein Stromfluß durch die Spule des zugeschalteten Elektromag­ neten so lange erzeugt wird, bis die Versorgungsspannung der Stromversorgung größer ist und den erreichten Stromfluß aufrecht erhält. Bei dieser Verfahrensweise nutzt man mit Vorteil den Effekt aus, daß beim Abschalten der Stromversor­ gung an dem einen Elektromagneten der Strom an der Spule aufgrund ihres induktiven Verhaltens nicht auf Null springen kann, sondern sich an der Spule eine Spannung aufbaut, die einen Punkt am Ende der Spule auf ein höheres Potential bringt als einen Punkt am anderen Ende der Spule. Durch entsprechende schaltungstechnische Maßnahmen kann nun bewirkt werden, daß dieser durch die abgeschaltete Spule bewirkte Stromfluß durch die Spule des anderen, anzuschaltenden Elektromagneten fließt. Da die Spule des anzuschaltenden Elektromagneten sich diesem Stromfluß aufgrund ihres induk­ tiven Verhaltens widersetzt, steigt die von der abgeschalte­ ten Spule gelieferte Spannung auf einen sehr hohen Wert, um den Stromfluß durch die anzuschaltende Spule mit einem steilen Stromanstieg zu zwingen. Aufgrund der Energiever­ luste und des schwächer werdenden Stromanstiegs sinkt die Spannung der Spule durch den inzwischen an die Stromversor­ gung angeschalteten Elektromagneten ab, bis die über die Stromversorgung zur Verfügung stehende Stromversorgungsspan­ nung größer ist und den erreichten Stromfluß aufrecht er­ halten kann. Auf diese Weise ist es möglich, die Forderung nach hohen Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hohen Schaltkräften zu verwirklichen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils,

Fig. 2 ein Schaltschema.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte elektromagnetische Aktuator 1 weist einen mit einem Gaswechselventil 2 verbun­ denen Anker 3 sowie einen dem Anker 3 zugeordneten Schließ­ magneten 4 und einen Öffnermagneten 5 auf. Der Anker 3 wird über Rückstellfedern 6 und 7 bei stromlos gesetzten Magneten in einer Ruhelage zwischen den beiden Magneten 4 und 5 gehalten, wobei der jeweilige Abstand zu den Pol­ flächen 8 der Magneten 4 und 5 von der Auslegung der Federn 6 und 7 abhängt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Federn 6 und 7 gleich ausgelegt, so daß die Ruhelage des Ankers 3 sich in der Mitte zwischen den beiden Polflächen 8 befindet, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. In Schließstellung des Gaswechselventils liegt der Anker 3 an der Polfläche des Schließmagneten 4 an.

Zur Betätigung des Gaswechselventils 2, d. h. zur Einleitung der Bewegung aus der geschlossenen Position in die geöffnete Position, wird der Haltestrom am Schließmagneten 4 abgeschal­ tet. Hierdurch fällt die Haltekraft des Schließmagneten 4 unter die Federkraft der Rückstellfeder 6 ab und der Anker 3 beginnt, durch die Federkraft beschleunigt, sich zu bewegen. Nach dem Durchgang des Ankers 3 durch seine Ruheposition wird der "Flug" des Ankers durch die Federkraft der dem Öffnermagneten 5 zugeordneten Rückstellfeder 7 abgebremst. Um nun den Anker 3 zu fangen, in die Öffnungsposition zu überführen und in dieser zu halten, wird der Öffnermagnet 5 mit Strom beaufschlagt, so daß der Anker dann an der Pol­ fläche 8 des Elektromagneten 5 zur Anlage kommt. Zum Schließen des Gaswechselventils erfolgt dann der Schaltungs- und Bewegungsablauf in umgekehrter Richtung.

In Fig. 2 ist nun ein Schaltschema dargestellt, mit dessen Hilfe es möglich ist, jeweils beim Umschalten der Stromver­ sorgung vom Elektromagneten 4 auf den Elektromagneten 5 und umgekehrt, den Aufbau des Magnetfeldes in dem jeweils fangenden Elektromagneten zu beschleunigen und so die Schalt­ zeiten zu verkürzen.

In dem Schaltschema sind die beiden Elektromagneten 4 und 5 jeweils durch ihre Induktivitäten mit gleichen Bezugszeichen dargestellt. Die Schaltungsanordnung steht mit einer Strom­ versorgung 9 in Verbindung, wobei durch einen Schalter 10, der über eine entsprechende Steuereinrichtung angesteuert werden kann, die Stromversorgung 9 jeweils beim Abschalten des einen Elektromagneten für den anderen Elektromagneten eingeschaltet werden kann, so daß durch eine entsprechende Hin- und Herbewegung des Schalters 10 die vorstehend beschrie­ bene Hin- und Herbewegung des Ankers 3 zwischen den beiden Elektromagneten 4 und 5 entsprechend gesteuert werden kann.

Befindet sich der Schalter 10 in der gestrichelten Schaltposi­ tion "Elektromagnet 4 eingeschaltet", dann fließt Strom über die Diode 11 der Strom durch den Elektromagneten 4. Sobald der Schalter 10 in die voll ausgezogene Stellung "Elektro­ magnet 5 eingeschaltet" umgelegt wird und hierbei der Strom­ durchfluß durch den Elektromagneten 4 abgeschaltet wird, wird der Stromdurchfluß durch den Elektromagneten 4 unterbunden.

Da der Strom an der Spule des Elektromagneten 4 aufgrund ihres induktiven Verhaltens nicht auf Null springen kann, baut sich am Elektromagneten 4 eine Spannung auf, die den Punkt 13 der Schaltung auf ein höheres Potential bringt als den Punkt 14. Dadurch beginnt ein Strom zu fließen vom Punkt 13 über eine Diode 15 durch die Spule des Elektro­ magneten 5 und von dieser über eine Diode 16 zum Punkt 14. Da sich nun die Spule des Elektromagneten 5 zunächst diesem Stromdurchfluß aufgrund ihres induktiven Verhaltens wider­ setzt, steigt die von der Spule des Elektromagneten 4 ge­ lieferte Spannung auf einen sehr hohe Wert, um einen Strom­ durchfluß durch die Spule des Elektromagneten 5 zu erzwingen. Somit wird ein steiler Stromanstieg durch die Spule des Elektromagneten 5 erzwungen. Aufgrund der Energieverluste und dem schwächer werdenden Stromanstieg sinkt die Spannung am Elektromagneten 5 ab, bis die über die Diode 12 zur Verfügung stehende Versorgungsspannung größer ist und den nunmehr erreichten Stromfluß aufrecht erhalten kann. Beim erneuten Umschalten des Schalters 10 entsprechend der durch eine Steuereinrichtung vorgegebenen Ansteuerung des Schal­ ters 10 wiederholt sich dieser Vorgang dann in umgekehrter Richtung.

Die Anwendung dieses Verfahrens ist nicht auf die vorstehend angegebene Schaltung, insbesondere nicht auf die anhand der Zeichnung beschriebenen Schaltelemente beschränkt. Die Funktion des Schalters 10 wird zweckmäßigerweise von einem Halbleiterschalter übernommen. Auch können an die Stelle der dargestellten und beschriebenen Dioden Halbleiterschal­ ter, Transistoren oder vorzugsweise Thyristoren eingesetzt werden, so daß der Vorgang steuerbar wird. Damit ist bei Kolbenbrennkraftmaschinen, deren Gaswechselventile jeweils durch einen derart aufgebauten und gesteuerten elektromagne­ tischen Aktuator betätigt werden, auch die Möglichkeit gegeben, diese spezielle Verfahrensweise abzuschalten, wenn nach den jeweiligen Betriebsarten der vorstehend beschrie­ bene Effekt nicht erwünscht wird. In jedem Fall ist zu beachten, daß die verwendeten Schaltelemente über eine ausreichende Spannungsfestigkeit verfügen.

Claims (1)

1. Verfahren zum Schalten eines elektromagnetischen Aktua­ tors, der zwei Elektromagneten aufweist, zwischen denen gegen die Kraft jeweils einer Rückstellfeder ein Anker als Betätigungsmittel durch wechselseitiges Anschalten und Abschalten der Stromversorgung zu den Elektromagneten hin- und herbewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils beim Abschalten des Stromes an dem einen Elektromagneten über die sich an seiner Spule aufbauende Spannung ein Strom der Spule des jeweils anderen eingeschalteten Elektromagne­ ten so lange zugeführt wird, bis die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung größer ist und den erreichten Stromfluß aufrecht erhalten kann.