DE3307683C1 - Verfahren zum Aktivieren einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung sowie Vorrichtung zum Durchfuehren des Verfahrens - Google Patents

Description

Der Anspruch 2 ist auf eine besonders bei symmetrischer Ausbildung der Stelleinrichtung, d. h. weitgehend gleiche Ausbildung der Elektromagneten, besonders vorteilhafte Durchführung des Verfahrens gerichtet, da die Schwingungsanregung besonders intensiv ist, wenn jeweils während derjenigen Halbschwingung, während der sich der Anker in Richtung auf einen der Elektromagnete bewegt, von diesem ein den Anker anziehenden Kraftfluß ausgeht.

Der Anspruch3 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Der Anspruch 4 ist auf eine Ausführungsform der Vorrichtung mit einer Schaltung zum Erzeugen von Rechteckspannungssignalen gerichtet.

Mit den Merkmalen der Vorrichtung des Anspruchs 5 wird erreicht, daß nach dem Aktivieren der Stelleinrichtung in einfacher Weise eine Umschaltung auf den anschließend erfolgenden gesteuerten Betrieb der Stelleinrichtung möglich ist.

Bei einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6 ist sichergestellt, daß die Erregung des schwingungsfähigen Systems erst dann beendet wird, wenn das Stellglied eine seiner beiden Endpositionen erreicht hat.

Der Anspruch 7 kennzeichnet eine Vorrichtung mit einer besonders einfachen Ausführung eines Sensors zum Erkennnen einer Endlage des Stellgliedes.

Zum Stand der Technik bezüglich der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens sei noch auf die DE-OS 28 15 849 verwiesen, aus der eine elektromagnetische Ventilsteuerung für Kolbenmaschinen bekannt ist. Bei dieser Ventilsteuerung ist ein einziger Elektromagnet vorgesehen, welcher im erregten Zustand einen mit dem Ventilglied verbundenen Anker anzieht und das Ventil gegen die Kraft einer Schließfeder in Offenstellung bewegt. Zur Erregung des Elektromagneten wird auch dort ein Rechteckspannungssignal erzeugt. Eine Eigenart von Ventilsteuerungen gemäß der DE-OS 28 15 849 besteht darin, daß sie verhältnismäßig hohe Stromstärken und viel elektrische Energie benötigen, da die gesamte, zum Öffnen des Ventils erforderliche Energie elektrisch aufgebracht werden muß.

Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtungen, mit denen sich die Erfindung beschäftigt, sind vielseitig verwendbar, beispielsweise für oszillierend bewegbare Steuerelemente an Verdrängungsmaschinen, insbesondere für die Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung mit einem Blockschaltbild einer zugehörigen Schaltung;

F i g. 2 in der Schaltung gemäß F i g. 1 auftretende Signale und

F i g. 3 ein Blockschaltbild eines in F i g. 1 enthaltenen Startgliedes.

F i g. 1 zeigt als Stellglied ein Tellerventil 2, an dessen Schaft 4 ein Anker 6 befestigt ist. Der Schaft 4 ist innerhalb eines Gehäuses 8 beweglich geführt und durchragt den im Querschnitt insgesamt U-förmigen Kern 10 eines Elektromagneten, dessen Wicklung mit 12 bezeichnet ist. Im Gehäuse 8 befindet sich gegenüber dem Kern 10 ein weiterer Kern 14 eines zweiten Elektromagneten, dessen Wicklung mit 16 bezeichnet ist. Die beiden Elektromagnete sind innerhalb einer öffnung des Gehäuses 8 angeordnet, wobei ihr gegenseitiger Abstand durch eine Buchse 18 gegeben ist und sie mittels eines an dem Gehäuse 8 festgeschraubten Deckels 20 gehalten werden. Zwischen dem Kern 16 und dem Anker 6 arbeitet eine Schraubenfeder 22. Zwischen dem Kern 10 und dem Anker 6 arbeitet eine weitere Schraubenfeder 24. Die beiden Schraubenfedern 22 und 24 wirken einander entgegengesetzt und halten den Anker in der dargestellten Mittelstellung zwischen den Stirnflächen der beiden Kerne 10 und 14.

Die Schraubenfedern 22 und 24 bilden zusammen mit dem Anker 6 und dem Tellerventil ein schwingungsfähiges System, dessen Eigenfrequenz größer ist als die maximal zum Betätigen des Tellerventil vorgesehene Betriebsfrequenz.

Zur Ansteuerung der Wicklungen 12 und 16 ist eine Endstufe 26 vorgesehen, die über einen Umschalter 28 mit einem Spannungs-/Frequenzwandler 30 und mit einer Steuerschaltung 32 verbunden ist.
Dem Spannungs-/Frequenzwandler 30 ist ein Startglied 34 vorgeschaltet, das zusätzlich mit dem Umschalter 28 verbunden ist

Gestrichelt eingezeichnet ist eine Leitung 36, welche einen am Kern 14 angebrachten Sensor 38 über eine Auswerteschaltung 40 mit dem Startglied 34 verbindet.

Mit Ausnahme des Startgliedes 34, dessen Aufbau weiter unten erläutert wird, und der Steuerschaltung 32, die jedoch nicht wesentlich ist, sind die genannten Schaltungsbausteine in ihrem Aufbau an sich bekannt und werden daher nicht näher erläutert.

Die Funktion der beschriebenen Schaltung wird im folgenden anhand F i g. 2 erläutert:

Bei Betätigen einer Starttaste erzeugt das Startglied 34 an seinem unmittelbar mit dem Umschalter 28 verbundenen Ausgang ein Rechteckssignal gemäß a) der Fig. 2. An seinem mit dem SpannungsVFrequenzwandler 30 verbundenen Ausgang erzeugt das Startglied 34 eine bestimmte Spannung, die zeitlich langsam abnimmt.
An seinem mit dem Umschalter 28 verbundenen Ausgang erzeugt der Spannungs-/Frequenzwandler 30 ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50%, dessen Frequenz entsprechend der Spannung gemäß b) zunächst größer ist als die Resonanzfrequenz des Ventils und die entsprechend der Abnahme der Spannung gemaß b) langsam bis auf die Resonanzfrequenz abnimmt. Die Frequenzänderungen des Rechtecksignals gemäß c) ist so langsam, daß das Ventil bei Erreichen der Resonanzfrequenz genügend lange erregt wird, so daß der Anker 6 bis in Anlage an die Kerne 10 bzw. 14 schwingt.

Diese Anlage wird vom Sensor 38 erfaßt, so daß die Auswerteschaltung 40 ein Signal d) an das Startglied 34 abgibt, woraufhin die dem Spannungsfrequenzwandler 30 zugeführte Spannung rascher auf Null abnimmt und die Frequenz des Rechtecksignals gemäß c) entsprechend auf Null abnimmt, so daß im Endzustand eine der beiden Wicklungen 12 oder 16 stromdurchflossen bleibt.

Nach Erreichen einer Endlage bzw. ab dem Auftreten

des Signals gemäß d) folgt der Anker 6 und damit das Ventil den Erregungen der Elektromagneten, so daß sich das Ventil jeweils in einer wohldefinierten Stellung befindet und aktiviert ist.

Nach Erreichen der Spannung Null geht mit geringer zeitlicher Verzögerung die Rechteckspannung gemäß a) auf Null zurück, woraufhin der Umschalter 28 umschaltet und entsprechend dem Ausgangssignal der Steuerschaltung 32 eine der Wicklungen 12 bzw. 16 erregt und die andere nicht erregt ist.

Es sind zahlreiche Abänderung der beschriebenen

Vorrichtung möglich, von denen einige im folgenden erläutert sind:

Der Anker 6 kann aus permanentmagnetischem oder aus ferromagnetischem Material sein. Im ersteren Fall ist die Polarität der Erregung der Elektromagnete für die Kraft von Bedeutung, so daß der Endstufe 26 eine nicht dargestellte Steuerstufe vorgeschaltet werden kann, mit der sich die Erregung der Elektromagnete derart steuern läßt, daß ausgehend von der Anlage des Ankers 6 an einen der Elektromagneten dieser mit einer den Anker abstoßenden Polarität und der andere Elektromagnet mit einer den Anker anziehenden Polarität erregt wird. Auch bei aus ferromagnetischem Material bestehendem Anker 6 kann es vorteilhaft sein, zumindest während des Anschwingens zusätzlichen Schaltungsaufwand zu treiben, damit tatsächlich die von den Elektromagneten ausgehenden Kraftflüsse um 180° gegeneinander phasenverschoben sind und nicht lediglich die den Wicklungen zugeführten Ströme.

Bevorzugt befindet sich der Anker 6 in den Extrem-Stellungen des Ventils in unmittelbarer Anlage an dem Kern 10 bzw. 14. Da jedoch das Tellerventil 2 in Schließstellung sich in dichtender Anlage an einem nicht dargestellten Ventilsitz befindet, sind Ausführungsformen möglich, bei denen in Schließstellung ein kleiner Spalt zwischen Anker 6 und Kern 14 verbleibt. Dieser Spalt vergrößert allerdings den zum Halten des Ventils in Schließstellung erforderlichen Strom durch die Wicklung 16 stark.

Der Sensor 38, der im dargestellten Beispiel ein auf mechanische Schwingungen im Hörfrequenzbereich oder darüber ansprechendes Bauelement ist, kann auch eine Induktionsspule sein, welche eine der Zuleitungen zu einer der Wicklungen 12 oder 16 umfaßt. Bei Anschlag des Ankers 6 an den zugehörigen Kern ändert sich der Stromfluß durch die Wicklung plötzlich, was in der Induktionsspule ein Spannungssignal hervorruft, das in der Auswerteschaltung 40 auswertbar ist.

Im folgenden wird anhand Fig.3 ein Ausführungsbeispiel des Startgliedes 34 erläutert:

Eine Starttaste 42 ist mit dem Setz-Eingang eines Flip-Flops 44 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Integrators 46 verbunden ist. Der Ausgang ■ des Integrators liegt an einem Eingang eines Komparators 48 und über die Leitung 50 an dem Spannungs-/Frequenzwandler 30. Der Ausgang des Komparators 48 ist über die Leitung 52 mit dem Rücksetz-Eingang des Flip-Flops 44 und über die Leitung 54 mit dem Umschalter 28 verbunden» Im Betrieb entsteht am Ausgang des Integrators 46 nach Betätigung der Start-Taste 42 eine von einem am Integrator voreinstellbaren Wert aus abfallende Spannung. Sobald diese Spannung auf einen bestimmten am Komparator 48 einstellbaren Wert, beispielsweise Null, abgefallen ist, wird über die Leitung 54 der Umschalter 28 umgeschaltet und über die Leitung 52 das Flip-Flop 44 zurückgesetzt.

Bei Vorhandensein eines Sensors 38 mit nachgeschalteter Auswerteschaltung 40 ist diese mit dem Setz-Eingang eines weiteren Flip-Flops 56 verbunden, dessen Rücksetz-Eingang mit dem Ausgang des Komparators 48 verbunden ist und dessen Ausgang an einem weiteren Eingang des Integrators 46 liegt, über den die Zeitkonstante des Integrators veränderbar ist. Sobald am Setz-Eingang des Flip-Flops 56 ein Signal liegt, fällt die Spannung am Ausgang des Integrators 46, wie gestrichelt angedeutet, rascher ab.

Wenn der Spannungs-/Frequenzwandler 30 so ausgelegt ist, daß die Frequenz Null bereits bei kleiner Spannung erreicht wird und die Referenzspannung des Komparators 48 unter diesem Wert liegt, erfolgt die Umschaltung des Umschalters 28 gegenüber dem Erreichen der Frequenz Null mit geringer zeitlicher Verzögerung. Die zeitliche Änderung der vom Integrator 46 erzeugten Spannung kann in unterschiedlichster Weise gewählt werden. Beispielsweise kann die Spannung mit Hilfe eines Zeitgliedes zunächst auf einem konstanten, der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Systems entsprechenden Wert gehalten werden, bevor sie abnimmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 2 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aktivieren Patentansprüche: einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfin-

1. Verfahren zum Aktivieren einer elektromagne- dung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Durchführen tisch arbeitenden Stelleinrichtung, welche ein .Stell- 5 des Verfahrens.

glied aufweist, das im passiven Zustand eine durch Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind zwei gegensinnig wirkende Federn gegebene Ruhe- aus der DE-OS 26 30 512 bekannt. Dabei gelangt die stellung zwischen einer Öffnungs- und einer Schließ- Stelleinrichtung von der Ruhestellung z. B. in die Öffstellung einnimmt und einen zwischen zwei Elektro- nungsstellung, indem dem einen der beiden Elektromamagneten beweglichen, mit dem Stellglied verbun- io gnete ein Strom entsprechender Stärke zugeführt wird, denen Anker aufweist, der zusammen mit dem Stell- Beim Umschalten von z. B. der Öffnungs- in die Schließglied und den Federn ein schwingfähiges System bil- stellung muß dem anderen Elektromagneten wiederum det und in Offenstellung gegen die Kraft der einen eine entsprechende Stromstärke zum Ausgleich der Feder von dem einen Elektromagneten und in Dämpfungsverluste und zur Arretierung zugeführt wer-Schließstellung gegen die Kraft der anderen Feder 15 den. Für die Aktivierung durch Erregung jeweils eines von dem anderen Elektromagneten angezogen wird, der Elektromagneten sind erhebliche Stromstärken erdadurch gekennzeichnet, daß forderlich, da einerseits der Luftspalt zwischen dem Anker und dem erregten Elektromagneten sehr groß ist

a) die beiden Elektromagnete gegeneinander pha- und zum anderen die Kraft der zugehörigen Feder übersenverschoben mit der Eigenfrequenz des 20 wunden werden muß.

schwingfähigen Systems für eine zum Auf- Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs ge-

schwingen des schwingfähigen Systems bis in nannten Art sind auch aus der DE-OS 30 24 109 be-

die Offen- und Schließstellung ausreichende kannt. Um die Stelleinrichtung zu aktivieren, wird dort

Zeitdauer erregt werden, . eine Spanneinrichtung beschrieben, mittels der der Ort

b) die Frequenz der Erregung der Elektromagnete 25 der Ruhestellung derart verlegbar ist, daß der mit Stellbei Beginn des Aufschwingvorgangs größer ist glied verbundene Anker in Anlage an einen der Elektroals die Eigenfrequenz des schwingfähigen Sy- magneten kommt, so daß das Stellglied beim Aktivieren stems, der Elektromagneten in Anlage an diesem bleibt, wenn

c) die Frequenz der Erregung der Elektromagne- die Spanneinrichtung entlastet wird. Bei in Anlage an ten nach dem Aufschwingen kontinuierlich auf 30 einem der Elektromagneten befindlichen Anker ist die Null herabgemindert wird und elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung aktiviert,

d) daß anschließend einer der Elektromagnete er- so daß sie lediglich durch die Erregung der Elektromaregt bleibt. gneten in die eine oder die andere Endposition bewegbar ist. Die in der Stelleinrichtung gemäß der DE-OS

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 35 30 24 109 enthaltene Spanneinrichtung bedingt einen zeichnet, daß das Tastverhältnis der Erregung der verhältnismäßig großen baulichen Aufwand und verteu-Elektromagnete 50% und die Phasenverschiebung ert die Stelleinrichtung nicht unwesentlich.

180° beträgt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens fahren zum Aktivieren einer elektromagnetisch arbeinach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Start- 40 tenden Stelleinrichtung der eingangs genannten Art anschaltung zum Erzeugen eines Rechteckwechsel- zugeben, das bei hoher Funktionssicherheit einen einfaspannungssignals variabler Frequenz und eine End- chen Aufbau der Stelleinrichtung ermöglicht. Weiter stufe (26)_f welche die Elektromagnete entsprechend soll die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dem Rechteckwechselspannungssignal aktiviert. des Verfahrens angeben.

4. Vorrichtung nach Anspruchs, dadurch gekenn- 45 Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungszeichnet, daß die Startschaltung ein in seiner Ampli- aufgäbe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden tude veränderbares Gleichspannungssignal erzeugt Teils des Hauptanspruchs gelöst. Danach wird das und daß die Startschaltung einen Spannungs-/Fre- schwingfähige System aus dem Stellglied mit dem daran quenzwandler (30) enthält befestigten Anker und den beiden gegensinnig wirken-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 50 den Federn durch Resonanzanregung soweit aufge-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Endstufe (26) ein schaukelt, daß der Anker zumindest so nahe an die Elek-Umschalter (28) vorgeschaltet ist, welcher von der tromagnete gerät, daß er dort haltbar ist, wenn die Erre-Startschaltung angesteuert die Endstufe bei Errei- gung eines der Elektromagnete anhält. Zum Aktivieren, chen der Frequenz Null mit einer Steuerschaltung bei dem eine derFedern gespannt wird, also Energie in (32) verbindet. 55 das System eingespeist wird, sind keine hohen Strom-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, stärken mit dem dazu erforderlichem baulichem Aufgekenrtzeichnet durch einen Sensor (38) zum Erken- wand erforderlich, da die Energieeinspeisung in mehrenen der Stellung des Stellglieds, welcher Sensor mit ren Zyklen erfolgt. Dadurch, daß die Frequenz der Erreder Startschaltung verbunden ist und deren Aus- gung der Elektromagnete bei Beginn des Aufschwinggangssignal bei Erreichen der Offen- oder Schließ- 60 Vorgangs größer ist als die Eigenfrequenz des schwingstellung des Stellgliedes im Sinne einer Frequenz- fähigen Systems wird sichergestellt, daß während des minderung beeinflußt. Aktivierungsvorgangs die Resonanzfrequenz, bei der

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- die wirksamste Anregung erfolgt, tatsächlich erreicht zeichnet, daß der Sensor (38) durch eine auf Ände- wird. Wenn die Erregungsfrequenz nach dem Aufrungen des Stromes zu einem der Elektromagnete 65 schwingen kontinuierlich auf Null herabgemindert wird, ansprechende Induktionsspule gebildet ist. gelangt das Stellglied abwechselnd in die eine oder die

andere Endlage, ohne daß die Gefahr besteht, daß es in seine passive Stellung zurückgelangt.