DE19757658A1 - Elektromechanischer Stellantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfah­ ren zum Beeinflussen der Geschwindigkeit eines Ankers in der Nähe eines Elektromagneten.

Derartige Stellantriebe bzw. Aktoren werden beispielsweise bei elektromechanischen Stelleinheiten für die Einlaß- und Auslaßventile von Verbrennungsmotoren verwendet. Dabei be­ steht das Problem, daß beim Auftreffen des Ankers auf den Elektromagneten ein relativ lautes Geräusch erzeugt wird, was bei der heute üblichen großen Anzahl von anzusteuernden Ven­ tilen zu erheblicher Lärmbelästigung führen kann. Aufgrund der nichtlinearen Kraftkennlinie des durch die Spule und ei­ nen Kern gebildeten Elektromagneten nimmt die auf den Anker wirkende Beschleunigungskraft bei Annäherung des Ankers an die Spule zu, so daß der Anker schließlich mit großer Ge­ schwindigkeit auf den Elektromagneten auftrifft und das laute und verschleißfördernde Geräusch erzeugt.

Darüber hinaus kommt es aufgrund von Adhäsion zwischen Anker und Elektromagneten zu einem Kleben des Ankers auf dem Elektromagneten, was zu einem verzögerten Abheben des Ankers und damit zu einem schlechten Zeitverhalten des gesamten Sy­ stems führen kann.

Zur Lösung dieser Probleme war es bisher bekannt, den Anker z. B. mit einem Elastomer zu beschichten, was eine ge­ räuschdämmende Wirkung hat. Darüber hinaus sind Steuer- bzw. Regelalgorithmen bekannt, bei denen durch Verändern der an der Spule anliegenden Spannung eine Anpassung der auf den An­ ker wirkenden Kraft und somit Beeinflussung der Auftreffge­ schwindigkeit des Ankers möglich ist. Ein derartiges Verfah­ ren ist z. B. in der DE 195 30 121 A1 beschrieben.

Bei der geschilderten Lösung mit dem mit einer elastischen Schicht versehenen Anker besteht der Nachteil, daß die Auf­ treffgeschwindigkeit des Ankers nicht nachträglich an den je­ weiligen Betriebszustand angepaßt werden kann. Bei der ge­ nannten Regelungsschaltung wiederum ist es von Nachteil, daß die Beeinflussung der Ankergeschwindigkeit nur sehr indirekt, durch Verändern der an der Spule anliegenden Spannung, mög­ lich ist, wodurch das System keine präzise Beeinflussung der Ankergeschwindigkeit ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zur Beeinflussung der Geschwindigkeit eines An­ kers in der Nähe eines Elektromagneten anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Stellantrieb mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Ein erfindungsge­ mäßes Verfahren ist durch die Merkmale von Patentanspruch 13 gegeben. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektromagneten und dem Anker ein ansteuerbares Stellelement angeordnet ist und daß der Anker durch das Stellelement be­ aufschlagbar ist. Dies bietet den Vorteil, daß die Ankerge­ schwindigkeit in der Nähe des Elektromagneten direkt durch das Stellelement beeinflußt werden kann.

Mit Hilfe des vorzugsweise schichtförmigen, auf der Polfläche des Elektromagneten angeordneten Stellelements wird eine Auf­ trefffläche für den Anker gebildet, deren Abstand zu dem Elektromagneten bei entsprechender Beaufschlagung des Stelle­ lements variierbar ist. Dadurch kann das Stellelement den herannahenden Anker abfangen und auf die gewünschte Geschwin­ digkeit abbremsen bzw. vollständig zum Stillstand bringen. Dies führt zu einer beträchtlichen Geräusch- und Verschleiß­ minderung.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung ist das Stellelement gleichzeitig als Sensor ausgebil­ det, der das Auftreffen des Ankers erfaßt. Vor allem, wenn das Stellelement ein piezoelektrisches oder ein magnetostrik­ tives Material aufweist, kann die Änderung von elektrischen oder magnetischen Kennwerten des Stellelements bei Annähern oder Auftreffen des Ankers ausgewertet werden.

Weiterhin ist es bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung möglich, mit Hilfe des Stellelements das Abhe­ ben des Ankers vom Elektromagneten zu erleichtern, indem der Anker durch das Stellelement von dem Elektromagneten weg be­ schleunigt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme der beglei­ tenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen elektromagneti­ schen Stellantrieb vor Auftreffen des Ankers auf den Elektromagneten;

Fig. 2 den Stellantrieb nach Auftreffen des Ankers auf den Elektromagneten;

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen Stellantriebs, bei der das Stellelement gleich­ zeitig das Auftreffen des Ankers detektiert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Stellan­ trieb, der im wesentlichen aus einem Elektromagneten 1, einem Anker 2 und einem Stellelement 3 besteht. Der eine Spule 4 und einen Kern 5 aufweisende Elektromagnet 1 und der Anker 2 sind in allgemein bekannter Weise ausgeführt, so daß auf eine detaillierte Darstellung verzichtet werden kann.

Das Stellelement 3 besteht aus einem elastischen Material und ist direkt auf dem Elektromagneten 1 angeordnet. Je nach Aus­ führungsform kann es in den Elektromagneten integriert werden oder nachträglich an den Elektromagneten angebaut werden.

Zweckmäßigerweise ist die elastische Schicht des Stellele­ ments 3 in eine Polfläche 6 des Elektromagneten 1 integriert, d. h. in entsprechende Aussparungen in der Polfläche 6 einge­ setzt. Die vom Anker 2 berührbare Oberfläche der Polfläche 6 wird somit sowohl von dem Stellelement 3 als auch der zu dem Elektromagneten 1 gehörenden Polfläche 6 gebildet.

Bei dem elastischen Material für das Stellelement 3 handelt es sich vorzugsweise um ein piezoelektrisches oder ein magne­ tostriktives Material, dessen Abmessungen sich bei Beauf­ schlagung mit einer elektrischen Spannung oder einem Magnet­ feld ändern. Die entsprechende Beaufschlagung wird über eine in Fig. 1 nicht dargestellte Steuer- bzw. Regeleinheit reali­ siert.

Erfindungsgemäß dient das Stellelement 3 zum Abfangen des An­ kers 2 im letzten Bereich des Hubes vor dem Auftreffen des Ankers 2 auf den Elektromagneten 1. Das elastische Material des Stellelements 3 steht im aufgeladenen Zustand weiter vor als die Oberfläche, d. h. Polfläche 6 des Elektromagneten 1. Abhängig von einem die Steuereinheit beaufschlagenden Hubsi­ gnal wird das elastische, z. B. piezokeramische Material so entladen, daß die elastische Schicht den Anker 2 abbremst und dadurch die gewünschte Auftreffgeschwindigkeit auf den Elek­ tromagneten 1 ermöglicht.

Gegenüber der bekannten elastischen Beschichtung des Ankers besteht gemäß der Erfindung der Vorteil, daß die Auftreffge­ schwindigkeit des Ankers 2 auf den Elektromagneten 1 elektro­ nisch beeinflußt und an den jeweiligen Betriebszustand ange­ paßt werden kann.

Fig. 2 zeigt den Zustand, bei dem der Anker 2 auf dem Elek­ tromagneten 1 aufsitzt und das Stellelement 3 von der ur­ sprünglichen Dicke d in Fig. 1 auf die Dicke d' komprimiert worden ist. Zu beachten ist, daß es auch in dem in Fig. 2 ge­ zeigten Zustand möglich ist, keine Kraft durch das Stellele­ ment 3 auf den Anker 2 auszuüben. Aufgrund der piezoelektri­ schen oder magnetostriktiven Eigenschaften des elastischen Materials wird das Stellelement 3 bei entsprechender Beauf­ schlagung in der in Fig. 2 gezeigten Dickenstellung gehalten, ohne auf den Elektromagneten 1 oder den Anker 2 eine Kraft auszuüben.

Bei Umkehrung des oben geschilderten Abbremseffektes dient das Stellelement 3 dazu, den Anker 2 von dem Elektromagneten 1 abzuheben, d. h. von dem Elektromagneten 1 weg zubeschleuni­ gen. Dadurch kann wirkungsvoll die Adhäsion zwischen dem Elektromagneten 1 und dem Anker 2 überwunden und der Anker 2 mit definierter Geschwindigkeit abgehoben werden.

Zum Abheben des Ankers 2 von dem Elektromagneten 1 wird bei der piezoelektrischen Schicht ein Spannungsverlauf angelegt, der ein Abwerfen des Ankers 2 erzeugt. Entsprechend wird bei der alternativen magnetostriktiven Schicht ein geeignetes Ma­ gnetfeld erzeugt oder das vorhandene Magnetfeld des Elektro­ magneten 1 genutzt.

Um das Auftreffen des Ankers 2 auf das Stellelement 3 zu re­ gistrieren, kann es zweckmäßig sein, die nicht dargestellte Steuer- bzw. Regeleinheit z. B. mit einem bei einer Ventil­ steuerung vorhandenen Ventilhubsensor zu koppeln. Abhängig von dem erkannten Hub bzw. sobald der Anker 2 den Elektroma­ gneten 1 berührt, wird das Stellelement 3 zunächst mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit bewegt. Die Geschwindigkeit wird bis zum Auftreffen des Ankers 2 auf den Elektromagneten 1 auf Null verzögert, wobei das Stellelement 3 seine Dicke von d (Fig. 1) auf d' (Fig. 2) verringert.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung ist jedoch kein zusätzlicher Sensor notwendig, da die Detektion des Auftreffvorgangs durch das Stellelement 3 selbst vorgenommen wird. Wird auf das piezoelektrische Mate­ rial des Stellelements 3 Druck ausgeübt, so erzeugt dies eine elektrische Spannung, die von der Steuereinheit entsprechend ausgewertet werden kann. Bei Verwendung von magnetostriktiven Materialien für das Stellelement 3 ergibt sich entsprechend eine Änderung des Magnetowiderstandes.

Die in Fig. 3 für ein piezoelektrisches Element dargestellte Steuereinheit 7 wertet das Signal entsprechend aus, um die Dickenänderung des Stellelements 3 gezielt zu steuern und da­ mit ein elastisches Auftreffen des Ankers 2 zu erzielen.

Von der Steuereinheit 7 wird ein Eingangssignal 8 erfaßt und entsprechend einem in der Steuereinheit 7 abgespeicherten Kennfeld mit einem Ausgangssignal 9 überlagert, das wiederum dem Stellelement 3 zugeführt wird und gegebenenfalls dessen Dicke verändert.

Bei Verwendung von magnetostriktiven Materialien ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, bereits ein Annähern des Ankers 2 an den Elektromagneten 1 zu registrieren, weil dadurch eine Änderung des durch die Spule 4 des Elektromagne­ ten 1 erzeugten magnetischen Flusses hervorgerufen wird. Durch entsprechende Geometrie der Schicht und/oder Auswahl eines geeigneten Magnetostriktionskoeffizienten hinsichtlich Vorzeichen und Betrag läßt sich die gewünschte Dickenänderung des Stellelements 3 auslegen.

Claims (16)

1. Stellantrieb, mit einem Elektromagneten (1) und einem An­ ker (2), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektromagneten (1) und dem Anker (2) ein ansteuerbares Stellelement (3) angeord­ net ist und daß der Anker (2) durch das Stellelement (3) be­ aufschlagbar ist.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Ankers (2) durch Verlagern einer an dem Stellelement (3) vorgesehenen Auftrefffläche für den An­ ker (2) relativ zu dem Elektromagneten (1) variiert wird, wenn der Anker (2) die Auftrefffläche berührt.

3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Auftrefffläche für den Anker (2) durch mechani­ sche, elektrische oder magnetische Beaufschlagung des Stelle­ lements (3) variiert wird.

4. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellelement (3) schichtförmig auf einer Polfläche (6) des Elektromagneten (1) angeordnet ist.

5. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellelement (3) in die Polflä­ che (6) des Elektromagneten (1) integriert ist.

6. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch einen Sensor, der die Stellung des Ankers (2) relativ zu dem Stellelement (3) bestimmt.

7. Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (3) gleichzeitig der Sensor ist.

8. Stellantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Auftreffens des Ankers (2) auf das Stelle­ lement (3) und/oder die Geschwindigkeit des Ankers (2) kurz vor, während oder nach dem Auftreffen durch das Stellelement (3) bestimmbar ist, indem eine Änderung eines elektrischen oder magnetischen Kennwertes des Stellelements (3) meßbar ist.

9. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abhebgeschwindigkeit des Ankers (2) von dem Stellelement (3) durch Betätigen des Stellelements (3) beeinflußbar ist.

10. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellelement (3) ein piezoelek­ trisches Material aufweist.

11. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (3) ein magnetostrikti­ ves Material aufweist.

12. Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Stellelement (3) aufgrund eines in einer Steuerung vorgegebenen Kennfelds in Abhängigkeit von der Position und/oder Geschwindigkeit des Ankers (2) ansteu­ erbar ist.

13. Verfahren zum Beeinflussen der Geschwindigkeit eines An­ kers (2) in der Nähe eines Elektromagneten (1) mit den Schritten

• - Bestimmen des Abstandes des Ankers (2) relativ zu dem Elek­ tromagneten (1);
• - bei Unterschreiten eines vorbestimmten Abstandes des Ankers (2) zu dem Elektromagneten (1) Betätigen eines zwischen Anker (2) und Elektromagneten (1) angeordneten Stellelements (3), wobei das Stellelement (3) derart angesteuert wird, daß der Anker (2) bei Berühren des Stellelements (3) die gewünschte Geschwindigkeitsänderung erfährt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Ankers (2) relativ zu dem Elektromagneten (1) durch einen separaten Sensor bestimmt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreffen des Ankers (2) auf das Stellelement (3) und somit sein Abstand zu dem Elektromagneten (1) durch Bestimmen eines elektrischen oder magnetischen Kennwertes des Stellele­ ments (3) festgestellt wird.

16. Verfahren zum Beeinflussen der Geschwindigkeit eines An­ kers (2) in der Nähe eines Elektromagneten (1), mit dem Schritt:
Betätigen eines zwischen dem Anker (2) und dem Elektromagne­ ten (1) angeordneten und in einer Ausgangsstellung am Anker (2) anliegenden Stellelements (3) derart, daß die Geschwin­ digkeit des Ankers (2) vor dem Abheben von dem Stellelement (3) entsprechend einem vorgegebenen Verlauf geändert wird.