DE19741570A1

DE19741570A1 - Elektromagnetische Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE19741570A1
Application number: DE19741570A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Priority date: 1997-09-20
Filing date: 1997-09-20
Publication date: 1999-03-25

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1.

Eine derartige Stelleinrichtung ist z. B. aus der DE 35 46 513 C2 bekannt. Dort wird die Wicklung jedes Elektromagnets zuerst bis zum Erreichen eines maximalen Stroms an Spannung gelegt. Dann wird der Strom abgeschaltet. Über eine Freilauf schaltung fällt nun der Strom ab. Bei Erreichen eines unteren Werts des Stroms wird wieder Spannung an die Wicklung gelegt bis ein oberer Stromwert erreicht ist. Nun wird wieder abgeschaltet usw. also die Wicklung um einen gegenüber dem maxima len Stromwert kleineren Stromwert getaktet, wodurch die Leistung und die Magnet kraft auf den zum Halten notwendigen Wert vermindert werden.

Es ist auch bekannt Permanentmagnete zum Halten des Ankers zu benutzen (sh. z. B. DE 35 00 530 C2).

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, neben einer Hauptwicklung für jeden Mag neten eine Haltewicklung mit großer Windungszahl vorzusehen (DE 197 31 381.7).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Gesamtleistungsbedarf der elektro magnetischen Stelleinrichtung zu verringern. Dies ist insbesondere bei Anwendung der elektromagnetischen Stelleinrichtung zur Ventilbetätigung bei Verbrennungsmoto ren von Interesse.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 und im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche 2-4 enthalten Möglichkeiten zur Umschaltung der Zeitkonstan ten, der Anspruch 5 eine Möglichkeit der Einspeisung des Haltestroms.

Die erfindungsgemäße Ausbildung bringt eine wesentliche Verringerung des Lei stungsbedarfs, die durch den langsamen Aufbau des Magnetfelds mit der relativ gro ßen Zeitkonstante erreicht wird. Durch die Verwendung wenigstens zweier Wicklun gen und zugehöriger Endstufen und entsprechender Schaltung pro Elektromagnet wird eine hohe Ausfallsicherheit erreicht, was zugleich eine wesentliche Verbesse rung der Ausfallrate pro Jahr hinsichtlich des kompletten Motorausfalls bedeutet.

Im Normalfall, das heißt, wenn keine Spule oder Endstufe ausgefallen ist, werden abhängig vom Drehzahlbereich und Betriebsmodus (Schalten oder Halten der Ma gnete) die Magnetspulen einzeln, parallel oder in Reihe geschaltet angesteuert und zwar mit unterschiedlichem Spannungsniveau. Damit ergeben sich für das, die Ma gnetkraft bestimmende, Produkt Strom I mal Windungszahl n (I×n) unterschiedliche elektrische Leistungen und auch Zeitkonstanten. Bei Ausfall einer Spule oder End stufe muß dann der notwendige Wert des Produkts (I×n) durch höhere Spannung und damit Leistung erzeugt werden. Hier ist zwar die notwendige Leistungsaufnahme höher, der Motor kann jedoch weiter betrieben werden und bei nächster Gelegenheit repariert werden.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines elektromagnetischen Stellantriebs

Fig. 2 eine Schaltung für die spezielle Ansteuerung der Elektromagnete

Fig. 3 und 4 Diagramme zur Erläuterung

In Fig. 1 ist ein möglicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung gezeigt. Es sind zwei Magnetkreise 3 und 4 dargestellt, auf denen Wicklungen 11 und 9 auf gebracht sind. Ein Anker 7 ist mittels eines Drehstabs 8 gelagert, der um die Achse 8a verdreht werden kann. Die Magnetpole 3a und 4a sind entsprechend dieser Dreh bewegung schräg ausgebildet. Der Drehstab 8 stellt den Anker 7 ohne Ansteuerung einer der Wicklungen 11 oder 9 in die gezeichnete Zwischenstellung. Durch Ansteue rung einer der Wicklungen 9 oder 11 wird der Anker 7 in eine Endstellung in der Nähe der Pole 3a oder 4a gebracht. Der Anker 7 ist mittels eines Käfigs 1 mit dem Dreh stab 8 verbunden. Am Anker 7 ist eine Betätigungsstange 2 angelenkt, die mit einem zu betätigenden Ventil 6 über eine Kopplung 5 verbunden ist. Auf den Magnetkreisen 3 und 4 sind zwei weitere Wicklungen 10 und 12 aufgebracht, die zusammen mit den Wicklungen 9 und 11 in verschiedener Weise angesteuert werden können. In Fig. 2 sind zwei Wicklungen 21 und 27 für einen Elektromagneten z. B. 3, 11 und 12 ge zeigt die gesteuert von einem Mikroprozessor 23 in verschiedener Weise angesteu ert werden können. Die Wicklung 21 kann mittels der Endstufen 24 und 26 gesteuert von Mikroprozessor 23 getrennt mit 42 V angesteuert werden. Wahlweise kann über die Endstufen 25 und 26 auch 12 V wirksam gemacht werden. Entsprechend kann die Wicklung 22 mittels von Mikroprozessor 23 gesteuerter Endstufe 27 mit 42 V ange steuert werden. Mittels der Endstufen 25 und 28 ist eine Ansteuerung der Reihen schaltung der beiden Wicklungen 21 und 22 mit 12 V möglich. Über die Leitungen 29 und 30 am Ende der Shunts kann der Mikroprozessor 23 den Ausfall einer der Wick lungen 21 oder 22 und einer Endstufe erkennen und die vorhandene Redundanz durch entsprechende Schaltung ausnutzen.

Darüber hinaus kann gleichzeitig, das heißt in Parallelschaltung, die Spule 21 mit 12 V und Spule 22 mit 42 V betrieben werden. Damit ergeben sich elektrische Leistungs aufnahmen, die um den Faktor 50 unterschiedlich sind, oder Leistungsunterschiede, die um den Faktor 10 bei gleicher (I×n) unterschiedlich sind. Die Zeitkonstanten bewegen sich in ungefähr gleichem Verhältnis wie die Leistungen.

Wenn beide Spulen ungleich in der Windungszahl ausgelegt sind, z. B. Wicklung 22 mit höherer Windungszahl um kleine Leistung zum Halten zu erzielen (entsprechend DE 197 32 381.7), so muß eine weitere Spannungsquelle 31 mit entsprechen höhe rer Spannung eingeschaltet werden, damit bei Ausfall der Spule 21 der Stromanstieg in 22 schnell genug erfolgen kann.

Fig. 3a zeigt in der obersten Zeile den Verlauf des Ventilhubs bei 6000 Umdrehungen des Motors. Darunter sind die Verläufe der beiden Ansteuerströme der Magnete M1 und M2 einer Ventilsteuerung gezeigt. Bei t₁ endet der Haltestrom des Magneten M1, wird aufgrund der Federwirkung das Ventil in Richtung der anderen Ventilstellung bewegt. Schon bald nach t₁ beginnt der Strom des Magneten M1 langsam mit großer Zeitkonstante anzusteigen. Bei t₂ wird durch die Ankerbewegung eine Gegeninduk tion erzeugt und hierdurch der Strom reduziert. Dies erkennt der Mikroprozessor 23 und schaltet von der vorhandenen Hintereinanderschaltung der beiden Wicklungen 21 und 22 des Magneten M2 auf Einzelansteuerung der beiden Wicklungen, wodurch die Zeitkonstante τ erniedrigt wird; gleichzeitig wird die Ansteuerspannung U von 12 V auf 42 V erhöht, wie dies Fig. 4 bei t₃ zeigt. Der Strom i des Magneten steigt nun schnell entweder auf einen maximalen, eingeregelten Stromwert i₁ oder entspre chend der Dauer T₁ des Stromimpulses an: Das Ventil erreicht seinen unteren Tot punkt. Der Strom wird jetzt für eine kurze Zeit auf Haltestrom umgeschaltet. Danach bewegt sich das Ventil wieder in Gegenrichtung. Bei t₄ löst die Ankerbewegung den in Fig. 4 gezeigten Ablauf für den Magneten M1 aus. Bei t₅ ist der obere Totpunkt er reicht, die Einzelansteuerung wird beendet und die Reihenschaltung der Wicklungen hergestellt, die mit 12 V beaufschlagt wird, was zum Halten ausreicht. Bei t₆ beginnt der Ablauf erneut. Man erkennt aus Fig. 3a auch, daß die Zeitkonstanten τ für die Magnete M1 und M2 unterschiedlich groß sind.

Fig. 3a zeigt die Stromverläufe der Magneten M1 und M2 bei hoher Drehzahl, z. B. 6000 U/Min Fig. 3b bei mitllerer Drehzahl und Fig. 3c bei Leerlauf 600 U/Min.

Hierbei werden mit τ und U die Zeitkonstanten und anliegenden Spannungen be zeichnet. Die Fig. 3 zeigt, daß vielfach nur kurzzeitig bei kleiner Zeitkonstante mit ho her Spannung U1 gearbeitet wird.

Fig. 3a zeigt in der obersten Zeile den Verlauf des Ventilhubs bei 6000 Umdrehungen des Motors. O bedeutet Ventil offen, G bedeutet Ventil geschlossen. Darunter sind die Verläufe der beiden Ansteuerströme der Magnete M1 und M2 einer Ventilsteue rung gezeigt. Bei t₁ endet der Haltestrom des Magneten M1, danach wird aufgrund der Federwirkung das Ventil in Richtung der offenen Ventilstellung bewegt. In dieser Phase befindet sich der Stromanstieg für den Magneten M2 (Öffnungsmagnet) mit größerer Zeitkonstante T₃ und kleiner Spannung U2 im Anstieg. Zum Zeitpunkt t₂ hat der Anker bereits eine hohe Geschwindigkeit, die eine entsprechend hohe Gegenin duktionsspannung hervorruft. Diese bewirkt einen Stromeinbruch. Dies wird über den Shunt durch den Mikroprozessor ausgewertet. In dieser Phase wird dann von größe rer auf kleinere Zeitkonstante umgeschaltet, das heißt von kleiner auf größere Span nung oder auf Parallelschaltung bei hoher Spannung. Ohne diese Maßnahme würde der Anker zu sehr verlangsamt und nicht schnell genug die vorgesehene Endstellung erreichen.

Fig. 4 zeigt dies im Detail. Zum Zeitpunkt t₃ kann durch Auswertung des Stromver laufes, das heißt der Stromreduzierung, ohne Spannungsänderung dieser Umschaltzeitpunkt berechnet werden. Zum Zeitpunkt t₄ wird dann auf kleinere Zeitkonstante umgeschaltet bis der Strom einen bestimmten Wert i erreicht hat. Danach erfolgt die Abschaltung. Zum Zeitpunkt t₅ wird im Normalfall zum Halten im geschlossenen Zustand des Ventils auf Reihenschaltung der Spulen bei kleiner Spannung geschaltet. Hierbei wird der Strom getaktet oder die Spannung so geregelt, damit die Halteposition des Ankers gewährleistet ist. Die Einschaltzeitpunkte der Ma gneten M1 und M2 werden von den Algorithmen der Ventilhubregelung bestimmt.

Claims

1. Elektromagnetische Stelleinrichtung mit zwei Elektromagneten, deren Polflä chen zumindest teilweise einander zugewandt sind und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflächen durch die Elektromagnete hin- und her bewegbaren Anker der ohne Ansteuerung der Wicklungen der Elektromag nete durch zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte in einer Zwischenstel lung gehalten wird und nach Erreichen einer Endstellung wenigstens in der Nähe der Polflächen eines der Elektromagnete durch Magnetkraft festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungsstrom für jeden Elektro magneten bis etwa zum Auftreten einer Gegeninduktion mit großer Zeitkon stante anwächst, daß ab dann auf eine kleine Zeitkonstante und/oder auf eine höhere Ansteuerspannung umgeschaltet wird und daß danach ein kleiner Haltestrom eingesteuert wird.

2. Elektrische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der großen auf die kleine Zeitkonstante durch Umschal ten wenigstens zweier hintereinander geschalteter Wicklungen auf Einzel steuerung erfolgt.

3. Elektrische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der großen auf die kleine Zeitkonstante durch Umschal ten wenigstens zweier getrennt angesteuerter Wicklungen auf die Parallel schaltung dieser Wicklungen erfolgt.

4. Elektrische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der großen auf die kleine Zeitkonstante durch Umschal ten wenigstens zweier hintereinander geschalteter Wicklungen auf deren Pa rallelschaltung erfolgt.

5. Elektrische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Haltestrom in die Hintereinanderschaltung der Wicklun gen eingespeist wird.

6. Elektromagnetische Stelleinrichtung mit zwei Elektromagneten, deren Polflä chen zumindest teilweise einander zugewandt sind und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflächen durch die Elektromagnete hin- und her bewegbaren Anker, der ohne Ansteuerung der Wicklungen der Elektromag nete durch zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte in einer Zwischenstel lung gehalten wird und nach Erreichen einer Endstellung wenigstens in der Nähe der Polflächen eines der Elektromagnete durch Magnetkraft festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 1 Magnet 2 Spulen besitzt, die abhängig von der Motordrehzahl und dem Betriebsmodus (Schalten, Halten) mit unterschiedlicher Schaltung, Einzel, Parallel, in Reihen bei unterschiedli chen Spannungen mit verschiedenen Zeitkonstanten betrieben werden.

7. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Betätigungsstrom für jeden Elektromagneten bis etwa zum Auftre ten einer Gegeninduktion mit großer Zeitkonstante anwächst, daß ab dann auf eine kleine Zeitkonstante und/oder auf eine höhere Ansteuerspannung umge schaltet wird, bis zur Erreichung eines bestimmten Stromes oder mit zeitl. Be grenzung.

8. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umschaltung von der großen auf die kleine Zeitkonstante durch Umschalten wenigstens zweier hintereinander geschalteter Wicklungen auf Einzelschaltung erfolgt.

9. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umschaltung von der großen auf die kleine Zeitkonstante durch Umschalten wenigstens zweier getrennt angesteuerter Wicklungen auf die Parallelschaltung dieser Wicklung erfolgt.

10. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umschaltung von der großen auf die kleine Zeitkonstante durch Umschalten wenigstens zweier hintereinander geschalteter Wicklungen auf deren Parallelschaltung erfolgt.

11. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestrom in die Hintereinanderschaltung der Wick lungen eingespeist wird.

12. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, da durch gekennzeichnet, daß mit der Umschaltung von großer auf kleinere Zeit konstante die Spannung erhöht wird.

13. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß bei Erkennen des Ausfalls eine Spulenansteuerung die Spulen einzeln mit höherem Strom angesteuert werden.

14. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß zusätzlich die Drehzahl begrenzt wird.