DE19712293A1

DE19712293A1 - Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE19712293A1
Application number: DE19712293A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Blaffert; Hans-Peter Oesterle; Heinz Schaefer
Original assignee: Binder Magnete GmbH
Current assignee: Kendrion Binder Magnete GmbH
Priority date: 1997-03-24
Filing date: 1997-03-24
Publication date: 1998-10-01
Also published as: EP0867898A1; ES2186928T3; DE59806390D1; EP0867898B1; PT867898E; ATE228712T1

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe nen Art.

Eine solche elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung ist in DE 39 28 066 A1 beschrieben. Die Stelleinrichtung ist zur elektromagnetischen Steuerung des Gaswechsel-Ventils einer Hubkolben-Brennkraftmaschine vorgesehen. Die Stelleinrichtung weist zwei zueinander beabstandete Magnetsysteme auf, zwischen denen eine Ankerplatte mit einem Stellschaft, an den der Ven tilteller des Ventils gekoppelt ist, hin- und herbewegbar ist. Das ventilseitige Magnetsystem zum Öffnen des Ventils besteht aus einem an sich bekannten Elektromagneten mit Erregerspule, während das dem Ventil abgewandte Magnetsystem zum Schließen des Ventils einen Permanentmagneten aufweist, dessen Magnet feld durch eine Kompensationsspule neutralisierbar ist.

Eine andere elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung ist zum Beispiel in DE 35 00 530 A1 beschrieben. Zur Steuerung eines Ventiles einer Verbrennungskraftmaschine ist anstelle der mechanischen Nockensteuerung eine elektromagnetisch arbei tende Steuerung vorgeschlagen. Diese besteht aus zwei Magnet systemen mit jeweils einer Erregerspule und einem zugeordneten Dauermagneten. Beide Systeme, d. h. Permanent-Elektromagnete, wirken auf eine gemeinsame, zwischen ihnen gelegene Anker platte, welche mit einem Ventilschaft fest verbunden ist. Auf die Ankerplatte und damit das Ventil drücken in entgegenge setzter Richtung zwei Federn. Die Dauermagnete halten den Anker jeweils in den Endlagen. Die Haltekraft der Dauermagnete wird zur Auslösung der Ventilbewegung durch Erregung des zu geordneten elektromagnetischen Systems aufgehoben, so daß der Anker und damit das Ventil unter der Wirkung der jeweils vor gespannten Federn sowie der Anzugskraft des jeweils anderen Magneten in die andere Endlage überführt wird.

Die Haltekraft der beiden Dauermagnete läßt sich jeweils durch ein dem Magnetfeld des Dauermagneten entgegengerichtetes Gleichfeld des zugehörenden Elektromagneten aufheben. Wird die Erregerspule des betreffenden Permanent-Elektromagneten also mit einem Strom geeigneter Polarität und Stärke bestromt, ist der Dauermagnet 'neutralisiert'. Die Folge ist, daß der Anker unter der Wirkung der vorgespannten Feder abfällt und von dem anderen Permanent-Elektromagneten eingefangen wird. Dessen Dauermagnet wiederum hält den Anker in seiner Hubendlage, bis seine Haltekraft durch das Gleichfeld des diesem Dauermagneten zugeordneten elektromagnetischen Systems aufgehoben wird. Vorteilhaft bei dieser Lösung ist, daß jeweils nur ein kurzes abwechselndes Bestromen der elektromagnetischen Systeme not wendig ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit dieser Stelleinrichtung verhältnismäßig kurze Ventilschließ- und Öffnungszeiten erreichbar sind. Darüber hinaus sorgen die Dauermagnete dafür, daß das Steuerventil im Normalfall bei abgeschaltetem Motor und damit abgeschalteter Stromversorgung in der gewünschten Hubendlage bleibt.

Um die geforderten kurzen Stellzeiten zu erhalten ist jedoch eine verhältnismäßig komplizierte Beaufschlagung der beiden Erregerspulen mit geeigneten Steuersignalen erforderlich. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Stelleinrichtung zu gewähr leisten, muß eine Steuerschaltung den beiden Erregerspulen jeweils separat geeignete Steuersignale zur Verfügung stellen. Hierbei muß die Steuerschaltung zwingend sicherstellen, daß kein zeitliches Überlappen der Einschaltzeiten versehentlich auftritt. Darüber hinaus müssen die Ein- und Ausschaltzeiten der Steuersignale für die beiden Erregerspulen zeitlich exakt aufeinander abgestimmt werden.

Ähnliche Stelleinrichtungen sind auch in DE 30 24 109 A1 und DE 33 07 683 C1 beschrieben. Beide Stelleinrichtungen weisen ebenfalls zwei gegenüberliegende elektromagnetische Systeme, also zwei Elektromagneten, auf, zwischen denen eine Anker platte hin- und herbewegbar ist. Die Ankerplatte selbst ist mit einem Stellschaft feststehend verbunden. In diesen beiden Dokumenten ist jedoch kein Magnetsystem mit Dauermagneten vorgesehen.

Sämtlichen o. b. Stelleinrichtungen ist gemeinsam, daß die zwei vorgesehenen Magnetsysteme zur Erzielung kurzer Schalt zeiten separat mit entsprechend geeigneten Steuersignalen angesteuert werden müssen, was einen erheblichen schaltungs technischen Aufwand in einer Steuerschaltung verursacht, und daß die Ankerplatte bei abgeschalteter Stromversorgung oder bei einem Ansteuerungsfehler eine regelmäßig unerwünschte Mittelstellung einnimmt. Dies bedeutet, daß für einen Neustart eine zusätzliche Einrichtung, ähnlich wie in DE 30 24 109 A1 oder DE 33 07 683 C1 beschrieben, erforderlich ist, um die Ankerplatte aus der unerwünschten Mittellage herauszuholen.

Bei den o. b. Stelleinrichtungen ist aufgrund der zwingend notwendigen separaten Ansteuerung der in den beiden Magnet systemen vorhandenen Erreger- bzw. Kompensationsspulen zwin gend erforderlich, daß jede dieser Spulen mit getrennten Aus gängen einer geeigneten Steuerschaltung in Verbindung steht. Eine Parallel- oder Reihenschaltung dieser Spulen ist damit ausgeschlossen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte elektromagnetisch arbeitende Stelleinrich tung so weiterzubilden, daß einerseits eine erheblich ein fachere Ansteuerung der Erregerspulen möglich ist, und ande rerseits die Stelleinrichtung im unbestromten Zustand stets in eine definierte, vorgegebene Endlage gebracht wird.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten elektromagne tisch arbeitenden Stelleinrichtung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung besteht also im wesentlichen darin, daß die beiden Erregerspulen entweder in Reihe oder parallel zuein ander geschaltet sind.

Im Gegensatz zu den bekannten elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtungen ist bei der Stelleinrichtung nach der Er findung immer sichergestellt, daß der Anker in umbestromten Zustand der Erregerspulen eine stabile Endlage einnimmt. So bald die Steuerschaltung ein Steuersignal zum Bestromen der Erregerspulen bereitstellt, werden beide Erregerspulen auf grund ihrer Serien- oder Parallelschaltung von Strom durch flossen. Bei ausreichender Stromstärke und richtiger Polarität des Stromes wird der Anker ausgehend von seiner Ruhestellung, bei welchem er an dem mit dem Permanentmagenten versehenen Elektromagnet anliegt, an den gegenüberliegenden Elektromagne ten gezogen. Dies geschieht deshalb, weil die Wirkung des Permanentmagneten einerseits durch die Bestromung der einen Erregerspule neutralisiert und sich durch die gleichzeitige Erregung der anderer Erregerspule ein Magnetfeld im anderen Elektromagneten aufbaut. Dieses letztgenannte Magnetfeld zieht den Anker an den anderen Elektromagneten an. Wird anschließend der Strom durch die beiden Erregerspulen abgeschaltet, fällt der Anker wieder in seine Ruhestellung zurück.

Vorzugsweise werden die Federkräfte der Federn und die Magnet kraft des Dauermagneten so dimensioniert, daß der Anker im unbestromten Zustand der beiden Erregerspulen aus der allein durch die Federn vorgegebenen stabilen Federlage in Richtung desjenigen Magnetsystemes, dem der Dauermagnet zugeordnet ist, versetzt sitzt.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Stelleinrichtung liegt darin, daß beide Erregerspulen von ein und denselben Steuersignalen einer Steuerschaltung beaufschlagt werden kön nen, so daß eine sehr einfach aufgebaute Steuerschaltung aus reicht. Die Steuerschaltung kann beispielsweise an ihren Aus gangsklemmen ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal zur Verfügung stellen, mit dessen Einschaltdauer die Stromstärke bestimmt werden kann.

Um große Schaltkräfte der Stelleinrichtung nach der Erfindung zu erzielen, werden in einer Weiterbildung der Erfindung die beiden Magnetsysteme vorzugsweise mit einem Überregungsstrom geschaltet (100% DE). Dieser Übererregungsstrom neutralisiert den Permanentmagneten und verleiht dem anderen Magnetsystem große Schaltkräfte. Nach erfolgtem Schaltvorgang mit Über erregungsstrom wird auf einen geringeren Stromwert, den so genannten Haltestrom, zurückgeregelt bzw. zurückgeschaltet (geringere % ED, geringere Leistungsaufnahme, geringere Erwär mung). Der Haltestrom wird zweckmäßigerweise so dimensioniert, daß die gewünschte Haltekraft bei einem Luftspalt Null zwi schen Permanentmagnet und Magnetsystem sichergestellt ist.

Die Stelleinrichtung nach der Erfindung wird nachfolgend an hand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit Fig. näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein erstes Ausführungsbei spiel einer elektromechanisch arbeitenden Stellein richtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine stirnseitige Draufsicht auf die Stelleinrich tung von Fig. I,

Fig. 3 zwei mögliche Blockschaltbilder mit einer an eine Steuereinrichtung geschalteten Stelleinrichtung gemäß Fig. 1.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbei spiel einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung dargestellt. Die in Schnittansicht gezeigte Stelleinrichtung weist ein rohrförmiges Gehäuse 1 auf. Innerhalb des Gehäuses 1 ist zentrisch ein Stellschaft 15 angeordnet, der durch zwei Gleitlager 19a, 19b geführt wird und mit einem noch zu erläu ternden Ausgleichselement 51 zusammenwirkt. Der Stellschaft 15 erstreckt sich durch die gesamte axiale Länge des Gehäuses 1.

Auf etwa halber axialer Länge des Gehäuses 1 ist ein platten förmiger Anker 17 an dem Stellschaft 15 befestigt. Der Anker 17 ist zwischen zwei Magnetsystemen gelegen und damit im ma gnetischen Kreis sowohl des linken als auch des rechten Ma gnetsystems angeordnet. Beide magnetische Systeme sind nach Art von Topfmagneten vorzugsweise rotationssymmetrisch ausge bildet. Das in Fig. 1 links angeordnete Magnetsystem besteht aus einem topfförmigen Mantel 9, einen Kern 5 und einen Spu lenträger 7, auf welchen eine Erregerspule 3 gewickelt ist. Zwischen der Bodenplatte des Mantels 9 und dem Kern 5 ist ein plattenförmiger Permanentmagnet 71 angeordnet. Die Magnetisie rung dieses Permanentmagneten 71 ist so gewählt, daß der Nord pol N und Südpol S als plattenförmige Elemente vorgesehen sind, deren Plattenebenen parallel zur Ebene des plattenförmi gen Permanentmagneten 71 angeordnet sind. Die Trennung von Nordpol N und Südpol S ist in Fig. 1 strichliniert im Perma nentmagneten 71 angedeutet.

In der Bodenplatte des Mantels 9 ist eine Öffnung vorhanden, in welcher eine Lagerbuchse 19a sitzt. In dieser Lagerbuchse 19a und in einer gegenüberliegenden Lagerbuchse 19b wird der Stellschaft 15 geführt.

Der Permanentmagnet 71 weist ebenfalls eine mittige Öffnung auf, in welcher ein ringförmiges Element 13 sitzt. An diesem Element 13 stützt sich eine Druckfeder 11 mit einem Ende ab. Diese Druckfeder 11 ist koaxial um den Stellschaft 15 angeord net. Um diese Druckfeder 11 herum befindet sich der Kern 5 des Magnetsystems. Die Druckfeder 11 stützt sich mit ihrem anderen Ende am plattenförmigen Anker 17 ab.

Wie die Darstellung von Fig. 1 zeigt, liegt der plattenförmi ge Anker 17 flächig an der Stirnseite des linken Magnetsystems luftspaltfrei an.

Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein weiteres Magnetsystem, das nur einen Elektromagneten und keinen zugeordneten Dauermagnet aufweist, angeordnet. Dieser Elektromagnet weist eine auf einen Spulenträger 27 aufgewickelte Erregerspule 23 auf. Das Magnetsystem dieses Elektromagneten ist in diesem Ausfüh rungsbeispiel ebenfalls rotationssymmetrisch gestaltet und verfügt über einen einstückig ausgeführten Magnetkörper 25, welcher eine mittige Durchgangsöffnung aufweist. Durch diese Durchgangsöffnung erstreckt sich der Stellschaft 15. Der Stellschaft 15 ist in der Lagerbuchse 19b geführt, die an der Bodenseite des Magnetkörpers 25 befestigt ist. In der zen trischen Durchgangsöffnung des Magnetkörpers 25 sitzt eine Druckfeder 21, die sich einerseits am plattenförmigen Anker 17 und andererseits an einer ringförmig hervorspringenden Schul ter in der Nähe der Lagerbuchse 19b abstützt. Die linke Stirn seite dieses Elektromagneten ist beabstandet zur gegenüberlie genden Oberfläche des plattenförmigen Ankers 17.

Das aus der Lagerbuchse 19b herausragende Ende des Stellschaf tes 15 ist mit einem Ausgleichselement 51 verbunden. Dieses Ausgleichselement 51 dient dazu, sicherzustellen, daß auch bei vorhandenem Endanschlag des zu bewegenden Teiles die Anker platte 17 luftspaltlos am Magnetkörper 25 des Elektromagneten anliegt. Diese Maßnahme garantiert eine geringe Halteleistung. Des weiteren garantiert die vorgespannte Druckfeder 53 in Hubendstellung annähernd konstante Kräfte. Damit das zu bewe gende Teil, welches in der Bohrung 52 angelenkt wird, auch eine bogenförmige Bewegung ausführen kann, ist das Aus gleichselement 51 auf dem Stellschaft 15 über einen Aus gleichsring 59 kardanisch gelagert.

Derartige Stelleinheiten bieten sich vorzugsweise dort an, wo große Stellkräfte in Hubanfangs- bzw. Hubendlage bei kleinem Bauvolumen, kleinem Gewicht und kleiner Leistung benötigt werden, z. B. bei Klappenverstellungen in Kfz-Anwendungen. Des weiteren eignet sich diese Stelleinheit auch zur Betätigung von Elementen, die ein bestimmten Hubarbeitsprofil benötigen.

Die beiden Erregerspulen 3, 23 sind erfindungsgemäß entweder in Reihe oder parallel zueinander geschaltet. Die Reihen- oder Parallelschaltung der beiden Erregerspulen 3, 23 ist mit Aus gangsklemmen 43, 44 der bereits erwähnten Steuerschaltung 41 in Verbindung. In der dargestellten Stellung des Ankers 17 befindet sich die gesamte Stelleinrichtung im stromlosen Zu stand. In diesem stromlosen Zustand sorgt der im linken Ma gnetsystem vorhandene Permanentmagnet 71 dafür, daß der Anker 17 flächig am Magnetkörper 5, 9 des linken Magnetsystems an liegt.

Stellt die Steuerschaltung 41 an ihren Ausgangsklemmen 43, 44 einen Strom geeigneter Polarität in ausreichender Höhe zur Verfügung, baut sich in dem linken Magnetsystem ein Magnetfeld auf, das die Magnetwirkung des Permanentmagneten 71 aufhebt. Zugleich baut sich durch die Bestromung der Erregerspule 23 im rechten Elektromagneten ein Magnetfeld auf, das den Anker 17 anzieht. Der Anker 17 bewegt sich daher zum rechten Elektro magneten und schlägt dort an der linken Stirnseite des Magnet körpers 25 an. Wird die Bestromung der beiden Erregerspulen 3, 23 beendet, fällt der Anker 17 wieder zurück in die in Fig. 1 dargestellte Stellung.

Der wesentliche Vorteil dieser Stelleinrichtung besteht in der sehr einfachen Ansteuerungsmöglichkeit durch Ein- und Aus schalten eines Steuersignales. Eine separate Ansteuerung der beiden Erregerspulen 3, 23 ist nicht mehr notwendig.

In Fig. 3 sind zwei verschiedene Blockschaltbilder dar gestellt, bei denen einmal die im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten beiden Erregerspulen 3, 23 hintereinander (vgl. Fig. 3 oben) und zum anderen parallel zueinander geschaltet sind (vgl. Fig. 3 unten). Diese beiden hintereinander ge schalteten oder parallel geschalteten Erregerspulen 3, 23 sind mit Ausgangsklemmen 43, 44 einer Steuerschaltung 41 in Verbin dung. Diese Steuerschaltung 41 ist schematisch dargestellt und enthält lediglich eine Schalteinrichtung, die zwischen zwei Schaltzuständen S1, S2 umschaltbar ist. In der Schalterstel lung S1 gelangt eine eingangsseitig an die Steuerschaltung 41 angelegte Spannung U an die Ausgangsklemmen 43, 44, während bei der Schalterstellung S2 der Schalter offen ist und dem zufolge an den Ausgangsklemmen 43, 44 der Steuerschaltung 41 kein Spannungssignal ansteht. Aus der Darstellung von Fig. 3 ist klar ersichtlich, daß in der Schalterstellung S1 unabhän gig von der Wahl einer Seren- oder Parallelschaltung der Erregerspulen 3, 23 diese gleichzeitig von Strom durchflossen werden. Eine separate Ansteuerung beider Erregerspulen 3, 23 ist nicht erforderlich. Der Vollständigkeit halber sind in Fig. 3 die beiden mit den Ausgangsklemmen 43, 44 verbundenen Zuleitungen mit den Bezugszeichen 31, 32 versehen.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

3

Erregerspule

5

Kern

7

Spulenträger

9

Metallteil

11

Druckfeder

15

Stellschaft

17

Anker

19

a Gleitlager

19

b Gleitlager

21

Druckfeder

23

Erregerspule

25

Kern

27

Spulenträger

31

Leitung

32

Leitung

41

Steuerschaltung

43

Ausgangsklemmen

44

Ausgangsklemmen

51

Ausgleichselement

52

Bohrung

53

Druckfeder

59

Ausgleichsring

71

Permanentmagnet

Claims

1. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung mit zwei zueinander beabstandeten und jeweils eine Erregerspule (3, 23) aufweisenden Magnetsystemen, zwischen welchen ein mit einem Stellschaft (15) feststehend verbundener, zwi schen zwei entgegengesetzt wirkenden Federn (11, 21) eingespannter und durch die Magnetsysteme in zwei Schaltpositionen bewegbarer Anker (17) angeordnet ist, wobei einem einzigen der beiden Magnetsysteme ein Dauer magnet (71) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Erregerspulen (3, 23) entweder in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind.

2. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (11, 21) und der Dauermagnet (71) so dimensioniert sind, daß der Anker (17) im unbestromten Zustand der beiden Erreger spulen (3, 23) aus der allein durch die Federn (11, 21) vorgegebenen stabilen Federlage in Richtung desjenigen Magnetsystems, dem der Dauermagnet (17) zugeordnet ist, versetzt sitzt.

3. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach An spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe oder parallel zueinander geschaltete Erregerspulen (3, 23) mit Ausgangsklemmen (43, 44) einer Steuerschaltung (41) verbindbar sind, und daß die Steuerschaltung (41) zum wechselseitigen Bewegen des Ankers (17) in die erste und die zweite Schaltposition Ein-/Aus-Steuersignale (S1, S2) bereitstellt.

4. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach An spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ein-Signal S1 durch eine Pulsweltenmodulation steuerbar ist.

5. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach An spruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitu de und Polarität der Ein-Steuersignale (S1) so gewählt ist, daß gerade die Haftwirkung des Permanentmagneten (71) im ersten Elektromagneten neutralisiert wird.

6. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuerschaltung (41) ein Ein-Steuersignal (S1) be reitstellbar ist, welches nach einem vorgegebenen ersten Wert (Übererregung) auf einen niedrigeren zweiten Wert (Halteerregung) abgesenkt ist.

7. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (17) plattenförmig ausgebildet ist.

8. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Erregerspulen (3, 23) identisch zueinander ausge bildet sind.

9. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Erregerspulen (3, 23) ungleich ausgebildet sind.

10. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (71) parallel zum Anker (17) , jedoch auf der dem Anker (17) abgewandten Seite des ersten Elektro magneten flächig anliegt.

11. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Pole (N, S) des Permanentmagneten (71) plattenför mig nebeneinander und parallel zur Plattenebene des Per manentmagneten (71) angeordnet sind.

12. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung über ein Ausgleichselement (51) an ein zu bewegendes Teil gekoppelt ist, und daß das Ausgleichs element (51) dem Anker (17) bei vorhandenem Endanschlag des zu bewegenden Teiles die luftspaltfreie Anlage am Kern (25) des Magnetsystemes ermöglicht.

13. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (51) für einen axialen Hubausgleich, einen bogenförmigen Hubausgleich bei Drehbewegung über einen Exzenter oder einen rotationsförmigen Hubausgleich nach Umwandlung einer Axialbewegung in eine Drehbewegung vorsieht.