EP0405189A1 - Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung - Google Patents

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EP0405189A1
EP0405189A1 EP90110570A EP90110570A EP0405189A1 EP 0405189 A1 EP0405189 A1 EP 0405189A1 EP 90110570 A EP90110570 A EP 90110570A EP 90110570 A EP90110570 A EP 90110570A EP 0405189 A1 EP0405189 A1 EP 0405189A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
working
magnet
armature
electromagnetically operating
actuating device
Prior art date
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Granted
Application number
EP90110570A
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English (en)
French (fr)
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EP0405189B1 (de
Inventor
Peter Dr.-Ing. Kreuter
Martin Dipl.-Ing. Scheidt
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FEV Europe GmbH
Original Assignee
FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Priority to AT90110570T priority Critical patent/ATE95278T1/de
Publication of EP0405189A1 publication Critical patent/EP0405189A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/18—Rocking arms or levers
    • F01L1/181—Centre pivot rocking arms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetically operating control device for oscillatingly movable control elements on displacement machines, in particular for flat slides and globe valves, consisting of a spring system and two electrically operating switching magnets, hereinafter called working magnets, by means of which an armature actuating the control element can be moved into two opposite switching positions, whereby the location of the equilibrium position of the spring system lies between the two switching positions and the working stroke of the control element can be varied by changing the position of the pole face of a working magnet and the base point of one or more springs of the spring system.
  • the control element of a displacement machine is held in the closed state by a compression spring in an actuating device of the type listed.
  • Another compression spring acts on a magnet armature interacting with the control element, so that the equilibrium position of the spring system lies in the middle or near the middle between the end positions of the movement of the magnet armature.
  • the end positions of the armature movement are each on an electrically operated working magnet.
  • one working magnet is energized and the other switched off. Due to the force of the prestressed spring, the armature is accelerated to the equilibrium position when released and decelerated on its further path by the counteracting force of the other spring which then determines. Due to friction, the armature cannot reach the opposite end position. On the missing remaining path, the armature is attracted by the tensile force of the working magnet.
  • this system achieves a significant reduction in the electrical energy to be supplied and in size. Due to the smaller air gap to be bridged, the radial dimension of the winding window can be kept small. This is particularly important with regard to the use of the actuating device on displacement machines.
  • the working stroke of such an actuating device is dimensioned such that a sufficient opening cross-section is available for the largest mass flow occurring at the control element of a displacement machine and thus throttling is avoided.
  • the present invention has for its object to be able to fix the working stroke of the actuating device in at least two different positions.
  • the switchover should take place in an internal combustion engine in a period of time that is significantly shorter than the time for one cycle of the internal combustion engine.
  • This object is achieved in an actuating device of the type mentioned at the outset by a magnetic switching system for simultaneously changing the distance between the pole faces and adapting the center of oscillation to the new position of the pole faces by changing the position of one or more spring base points.
  • the magnetic resistance of the magnetic circuit of one or both working magnets is changed when the working stroke of the actuating device changes, with the aim of constantly increasing the time between the switching off of the current of a working magnet and the beginning of the armature movement, hereinafter referred to as the fall time hold.
  • both the adjustment of the magnetic resistance and the adjustment of the working magnet assigned to the open position and the spring base point are carried out by a common electromagnetic switching system in one direction and by prestressed springs in the opposite direction.
  • the design of the switching system and the springs is selected according to further features of the invention so that after switching off the electromagnetic switching system, the adjustable components move automatically into one of the end positions, this end positions are either the position of the largest working strokes or the position of the smallest working strokes of a displacement machine.
  • control element can be actuated via a transmission element, in particular a rocker arm or rocker arm.
  • the movement of the switching system is braked in the vicinity of one or both end positions according to a further embodiment of the invention.
  • Kinetic energy can be extracted from the oscillating magnet armature of the actuating device in the vicinity of the end positions by compressing a compressible fluid.
  • the electromagnetic switching system can contain a permanent magnet, which ensures that the armature of the switching system remains in the attracted position.
  • a hydraulic length compensation element can be used to compensate for changes in length that occur during operation of the adjusting device.
  • this component can be arranged at various positions within the actuating device, in particular in the magnet armature or between the working magnet assigned to the closed position and the housing.
  • one or both working magnets can be equipped with a permanent magnet.
  • the arrangement of the component influencing the magnetic resistance is chosen according to a further embodiment of the invention so that the component moved relative to the working magnet counter a prestressing force can be shifted within narrow limits and thus changes in length can be compensated for or the setting during assembly is simplified.
  • the prestressing force is applied by a resilient element.
  • an advantage that can be achieved with the invention is in particular that all the components that are to be changed in their position during a working stroke adjustment of an actuating device can be adjusted together.
  • the switching time that can be achieved is significantly less than the time available for one cycle cycle of a displacement machine. This enables digital control of the actuating device.
  • the assignment of a separate switching system to each actuating device also allows free arrangement of the actuating devices in a multi-cylinder displacement machine. By setting different magnetic resistances in the switching positions, it is possible to operate the actuating devices in the different switching positions with unchanged control signals.
  • the described damping of the movement, the hydraulic length compensation and the use of permanent magnets reduce energy consumption, damping and hydraulic length compensation also improve the running behavior.
  • the displaceable design of the component influencing the magnetic resistance brings about a reduction in the accuracy requirements during manufacture and adjustment.
  • the working magnet 1 shows an example of an electromagnetic actuating device with working magnets 1 and 2, windings 3 and 4 and armature 5.
  • the working magnet 1 is supported by a sleeve 6 in the housing 7 and screwed to the housing 7 via the collar 8.
  • the working magnet 1 forms a unit with a fixed yoke 9 of the switching system.
  • a movable armature 10 of the electromagnetic switching system acts via an adjustable adjusting screw 11 on a spring 12 which is supported on the plate of the armature 5.
  • the armature 10 is connected via a connecting bolt 13 to the working magnet 2, which is guided axially displaceably in the sleeve 6.
  • the stop via which the position of the working magnet 2 and thus the working stroke is set in the system shown, forms a fastening ear 14 which is pressed against the lower edge of the sleeve 6 by the force of the prestressed spring 12.
  • the working magnet 2 is dimensioned on its underside in such a way that the cross-sectional area 16 available to the magnetic flux between the winding 4 and the underside is significantly smaller than the other cross-sectional areas of the magnetic circuit and thus an increase in the magnetic resistance even when the magnetic circuit is operated at a medium level he follows.
  • a soft iron disk 17 is pressed in the housing 7 by the biasing force of a spring 24 against a stop 25.
  • the attracted position of the armature 10 against the yoke 9 represents the stop for the position of the switching system shown in FIG. 2.
  • the disk 17 expands the cross-sectional area of the magnetic circuit in this position and thus reduces the magnetic resistance in the working magnet 2.
  • the disk 17 is moved by the working magnet 2 against the force of the prestressed spring 24 by a small distance from the stop 25, and thus a secure support of the working magnet 2 on the disk 17 is ensured.
  • the control element connected to shaft 19, for example a control valve of an internal combustion engine is opened by half its stroke.
  • the armature 5 is brought into contact with the magnet 1, it is held there by exciting the winding 3.
  • the control element is in the closed position.
  • the current in winding 3 is then switched off, as a result of which, after a period of time, which will be called the fall time in the following, the armature 5 detaches from the magnet 1 and moves toward the magnet 2 beyond the equilibrium position.
  • the winding 4 of the magnet 2 is energized in good time so that the armature 5 is pulled to the magnet 2 due to the acting magnetic force and is held there.
  • the return movement is analogous. This process applies to both possible working strokes.
  • FIG. 3 shows an actuating device which, in addition to the features described above, includes damping the movement of the armature 5.
  • the armature 5 forms with its outer edge 26 a sealing gap to the sleeve 6.
  • the sleeve 6 is provided with a recess 27, via which the air can flow out of the volume above the armature into the volume located below the armature .
  • the outer edge 26 leaves the upper edge 24 of the recess 27, and the armature 5 compresses the air remaining in the upper volume.
  • the force thus generated dampens an acceleration of the armature 5, which would otherwise occur due to the tensile force that increases sharply progressively in the vicinity of the magnet 1.
  • the adjusting device can also contain a hydraulic length compensation element 28 which is supported in the armature 5 and acts on the shaft 19 of the control element.
  • the length compensation element 28 can be supplied with pressure oil via the armature 5.
  • a permanent magnet 29 can be arranged in the working magnet 1. It enables the armature 5 to be held in the winding 3 without current flow, and it supports the pulling of the armature 5. Therefore, the winding 3 can be operated with a lower current level compared to a design without permanent magnets in terms of the energy to be used for the tightening. In order to detach the armature 5 from the pole face of the magnet 1, the winding 3 is operated with the polarity of the direct current reversed compared to the tightening process. The excited field counteracts the field of the permanent magnet 29, and the force acting on the armature 5 decreases until the force of the tensioned spring 12 prevails and initiates the movement.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of an electromagnetic switching system consisting of the yoke 9 and the armature 10 with a permanent magnet 30.
  • the winding 15 is excited to attract the armature 10 to the yoke 9.
  • the winding 15 can be switched off.
  • the winding 15 is excited with reverse polarity of the direct current.
  • FIG. 6 shows an arrangement for damping the switching movement of the switching system in the direction of movement from a small working stroke to a large working stroke.
  • the soft magnetic disk 17 is provided on the inner edge with a sleeve 41 which forms a sealing gap towards the working magnet 2.
  • the sleeve 41 contains openings 42 which, when the working magnet 2 moves and thus reduces the space 43, allow the air to flow out until the working magnet 2 in the vicinity of the disk 17 closes the openings and the remaining air is compressed.
  • the pressure increase in space 43 results in a damping force.
  • FIGS. 7-13 show further exemplary embodiments for changing the magnetic resistance of a working magnet. What is important for the correct functioning of the actuating device is the exact reproducibility of the contact between the working magnet in question and the soft iron disk, which are identified by reference numerals 31 and 32 in the figures mentioned. Even slight differences in the air gap between these components can change the waste times.
  • Conical designs according to FIGS. 8 and 13 allow self-centering, flat horizontal designs according to FIG. 7 are easy to manufacture, vertical arrangements according to FIGS. 9 and 10 result in a constant radial gap, while design with pins 33 according to FIGS. 11 and 12 due to the large number of elements are not susceptible to inaccuracies in the manufacture of individual fits.
  • FIGS. 14 to 17 show alternatives to the embodiment of the adjusting device shown in FIGS. 1 and 2.
  • the actuating device is shown in simplified form, and it essentially contains an upper spring 50, working magnets 51 and 52, a lower spring 53 and the electromagnetic switching system 55.
  • FIG. 18 shows a simplified representation of an embodiment of the actuating device with working magnets 60 and 61, armature 62, springs 63 and 64, rocker arm 65 and control valve 66.
  • An electromagnetic switching system 67 moves the magnet 60 and the spring 63 via rods 68.
  • the springs 63 and Taking into account the gear ratio, 64 each have half the total spring stiffness of the vibrating system.

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Abstract

Bei einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung nach dem Prinzip des Feder-Masse-Schwingers (12, 18, 5, 20), insbesondere für die Betäti­gung von Steuerventilen in Verdrängungsmaschinen, kann der Ar­beitshub des Steuerelements durch Änderung der Lage der Polfläche eines Arbeitsmagneten (2) sowie des Fußpunktes (11) einer oder mehrerer Federn des Federsystems variiert werden. Hierzu dient ein magne­tisches Schaltsystem zur gleichzeitigen Änderung des Abstandes der Polflächen und Anpassung des Schwingungsmittelpunktes an die neue Lage der Polflächen durch Änderung der Lage eines oder mehrerer Federfußpunkte. Weiterhin kann mit diesem Schaltsystem ebenfalls der magnetische Widerstand eines oder beider Arbeits­magnete verändert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch arbeitende Stell­einrichtung für oszillierend bewegbare Steuerelemente an Ver­drängungsmaschinen, insbesondere für Flachschieber und Hubven­tile, bestehend aus einem Federsystem und zwei elektrisch arbei­tenden Schaltmagneten, im folgenden Arbeitsmagnete genannt, durch die ein das Steuerelement betätigender Anker in zwei gegenüber­liegende Schaltpositionen bewegbar ist, wobei der Ort der Gleich­gewichtslage des Federsystems zwischen den beiden Schaltpositi­onen liegt und der Arbeitshub des Steuerelements durch Änderung der Lage der Polfläche eines Arbeitsmagneten sowie des Fußpunktes einer oder mehrerer Federn des Federsystems variiert werden kann.
  • Das Steuerelement einer Verdrängungsmaschine wird bei einer Stelleinrichtung der aufgeführten Art durch eine Druckfeder in ge­schlossenem Zustand gehalten. Eine weitere Druckfeder wirkt auf einen mit dem Steuerelement zusammenwirkenden Magnetanker, so daß die Gleichgewichtslage des Federsystems in der Mitte oder nahe der Mitte zwischen den Endlagen der Bewegung des Magnetankers liegt. Die Endlagen der Ankerbewegung befinden sich an je einem elektrisch betätigten Arbeitsmagnet. Zum Schalten dieser Vorrich­tung wird jeweils ein Arbeitsmagnet erregt und der andere abge­schaltet. Aufgrund der Kraft der vorgespannten Feder wird der An­ker bei Freigabe bis zur Gleichgewichtslage beschleunigt und auf seinem weiteren Weg durch die dann bestimmende entgegenwirkende Kraft der anderen Feder verzögert. Aufgrund von Reibung kann der Anker die gegenüberliegende Endlage nicht erreichen. Auf dem feh­lenden Restweg wird der Anker durch die Zugkraft des Arbeitsmag­neten angezogen.
  • Gegenüber Schaltsystemen, die den Anker über den gesamten Hub gegen die Kraft einer Feder anziehen, wird mit diesem System eine wesentliche Verringerung der zuzuführenden elektrischen Energie sowie der Baugröße erzielt. Aufgrund des geringeren zu überbrük­kenden Luftspaltes kann die radiale Abmessung des Wicklungsfen­sters klein gehalten werden. Dies ist vor allem im Hinblick auf den Einsatz der Stelleinrichtung an Verdrängungsmaschinen von Be­deutung.
  • Der Arbeitshub einer solchen Stelleinrichtung ist so bemessen, daß für den größten auftretenden Massenstrom am Steuerelement einer Verdrängungsmaschine ein ausreichender Öffnungsquerschnitt zur Verfügung steht und somit eine Drosselung vermieden wird.
  • Bei kleineren Massenströmen, die im Teillastbetrieb von Verdrän­gungsmaschinen und hier insbesondere von Brennkraftmaschinen auf­treten, ist ein Betrieb der Stelleinrichtung bei diesem maximalen Arbeitshub unwirtschaftlich, da die zum Positionswechsel des Steuerelements zuzuführende elektrische Energie abhängig von dem Hub des Steuerelements zunimmt. Somit wäre ein verringerter Hub des Steuerelements, also insbesondere ein verringerter Ventil­hub, aus energetischen Gründen erwünscht. Weiterhin hat die Ver­ringerung des Öffnungsquerschnitts eine Zunahme der Strömungsge­schwindigkeit am Steuerelement bzw. am Steuerventil zur Folge, was zur Verbesserung der Aufbereitung von mehrphasigen Gemischen, insbesondere eines Luft-Kraftstoffgemisches bei Brennkraftmaschinen, beiträgt.
  • Bekannte Systeme zur Variation des Arbeitshubes einer Stellein­richtung des oben beschriebenen Funktionsprinzips arbeiten mit außerhalb der Stelleinrichtung angeordneten, ggf. auf mehrere Stelleinrichtungen gemeinsam wirkenden Schalt- bzw. Verstellsy­stemen, wie es beispielsweise aus US-PS 47 77 915 bekannt ist Ein erheblicher Nachteil dieser Anordnung ist der langsame Ver­stellvorgang, der sich über mehrere Zyklen der Brennkraftma­ schine erstreckt und eine digitale Steuerung der Stelleinrich­tung erschwert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ar­beitshub der Stelleinrichtung in mindestens zwei unterschiedli­chen Positionen fixieren zu können. Die Umschaltung soll bei ei­ner Brennkraftmaschine in einer Zeitspanne erfolgen, die deutlich kürzer ist als die Zeit für einen Zyklusdurchlauf der Brennkraft­maschine.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Stelleinrichtung der eingangs be­zeichneten Art gelöst durch ein magnetisches Schaltsystem zur gleichzeitigen Änderung des Abstandes der Polflächen und Anpas­sung des Schwingungsmittelpunktes an die neue Lage der Polflä­chen durch Änderung der Lage eines oder mehrerer Federfußpunkte.
  • Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der magneti­sche Widerstand des Magnetkreises eines oder beider Arbeitsmagne­te beim Wechsel des Arbeitshubes der Stelleinrichtung verändert, mit dem Ziel, die Zeitspanne zwischen dem Abschalten des Stromes eines Arbeitsmagneten und dem Beginn der Ankerbewegung, im fol­genden Abfallzeit genannt, konstant zu halten.
  • Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung erfolgt sowohl die Verstellung des magnetischen Widerstandes als auch die Verstel­lung des der Öffnet-Position zugeordneten Arbeitsmagneten und des Federfußpunktes durch ein gemeinsames elektromagnetisches Schalt­system in der einen Richtung sowie durch vorgespannte Federn in entgegengesetzter Richtung.
  • Die Ausbildung des Schaltsystems und der Federn ist nach weiteren Merkmalen der Erfindung so gewählt, daß sich nach dem Abschalten des elektromagnetischen Schaltsystems die verstellbaren Bauteile selbsttätig in eine der Endpositionen bewegen, wobei diese End­ positionen entweder die Position größten Arbeitshubes oder die Position kleinsten Arbeitshubes einer Verdrängungsmaschine sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Steuerele­ment über ein Übertragungsglied, insbesondere einen Kipp- oder Schlepphebel, betätigt werden.
  • Um die Geräuschentwicklung und den Verschleiß an den Bauteilen des elektromagnetischen Schaltsystems zu minimieren, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Bewegung des Schalt­systems in der Nähe einer oder beider Endlagen gebremst. Dabei kann dem oszillierend bewegten Magnetanker der Stelleinrichtung in der Nähe der Endlagen durch Verdichtung eines kompressiblen Fluids kinetische Energie entzogen werden.
  • Weiterhin kann das elektromagnetische Schaltsystem einen Perma­nentmagneten enthalten, der das Verharren des Ankers des Schalt­systems in der angezogenen Position sicherstellt.
  • Zum Ausgleich von im Betrieb der Stelleinrichtung auftretenden Längenänderungen kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfin­dung ein hydraulisches Längenausgleichselement eingesetzt wer­den. Erfindungsgemäß kann dieses Bauteil an verschiedenen Posi­tionen innerhalb der Stelleinrichtung angeordnet sein, insbeson­dere im Magnetanker oder zwischen dem der Schließt-Position zuge­ordneten Arbeitsmagneten und dem Gehäuse.
  • Zur Verminderung des Energieaufwandes, insbesondere zum Halten des Magnetankers an den Polflächen, können gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung einer oder beide Arbeitsmagnete mit ei­nem Permanentmagneten ausgerüstet sein.
  • Die Anordnung des den magnetischen Widerstand beeinflussenden Bauteils wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung so ge­wählt, daß das relativ zum Arbeitsmagneten bewegte Bauteil gegen eine Vorspannkraft in engen Grenzen verschiebbar ist und somit Längenänderungen kompensiert werden, bzw. die Einstellung bei der Montage vereinfacht wird. Die Vorspannkraft wird durch ein fe­derndes Element aufgebracht.
  • Zusätzlich zu den bereits aufgeführten Vorteilen besteht ein mit der Erfindung erzielbarer Vorteil insbesondere auch darin, daß alle bei einer Arbeitshubverstellung einer Stelleinrichtung in ihrer Lage zu verändernden Bauteile gemeinsam verstellt werden können. Die erzielbare Schaltzeit ist dabei deutlich geringer als die für einen Zyklusdurchlauf einer Verdrängungsmaschine zur Ver­fügung stehende Zeit. Damit ist eine digitale Ansteuerung der Stelleinrichtung möglich. Die Zuordnung eines eigenen Schaltsy­stems zu jeder Stelleinrichtung erlaubt darüber hinaus eine freie Anordnung der Stelleinrichtungen bei einer mehrzylindrigen Verdrängungsmaschine. Durch die Einstellung unterschiedlicher magnetischer Widerstände in den Schaltpositionen ist es möglich, die Stelleinrichtungen in den unterschiedlichen Schaltpositionen mit unveränderten Steuersignalen zu betreiben.
  • Die beschriebene Dämpfung der Bewegung, der hydraulische Längen­ausgleich sowie der Einsatz von Permanentmagneten senken den Energieeinsatz, Dämpfung und hydraulischer Längenausgleich ver­bessern auch das Laufverhalten. Die verschiebbare Ausführung des den magnetischen Widerstand beeinflussenden Bauteils bewirkt eine Verringerung der Genauigkeitanforderungen bei Fertigung und Ein­stellung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.
    • Fig. 1 zeigt im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel der Vorrich­tung gemäß der Erfindung mit einem elektromagnetischen Schaltsy­stem zur Veränderung des Arbeitshubes. Das Schaltsystem ist im abgeschalteten Zustand dargestellt und befindet sich in der Posi­ tion kleinen Arbeitshubes. Das Steuerventil einer Verdrängungsma­schine ist geschlossen.
    • Fig. 2 zeigt das Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 in eingeschalte­tem Zustand des Schaltsystems und damit in der Position großen Arbeitshubes. Das Steuerventil der Verdrängungsmaschine ist ge­schlossen.
    • Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Dämpfung der Ankerbewegung, hydraulischem Längen­ausgleich sowie mit einem Permanentmagneten in dem der Schließt-­Position zugeordneten Arbeitsmagneten, wobei das den magnetischen Widerstand einstellende Bauteil verschiebbar ausgeführt ist.
    • Fig. 4 zeigt eine Einzelheit der in Fig. 3 dargestellten Ausfüh­rungsform entsprechend der umrandeten Partie mit dem Bezugszei­chen Z.
    • Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit im Schaltsystem ange­ordneten Permanentmagneten.
    • Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Dämp­fung der Bewegung des Schaltsystems durch Verdichtung von Luft.
    • Fig. 7-13 zeigen verschiedene Ausführungsmöglichkeiten zur Ein­stellung des magnetischen Widerstandes eines Arbeitsmagneten.
    • Fig. 14-17 zeigen Möglichkeiten der Anordnung des Schaltsystems zur Verstellung des Öffnet-Arbeitsmagneten.
    • Fig. 18 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit einem über einen Kipphebel betätigten Steuerelement.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung mit Arbeitsmagneten 1 und 2, Wicklungen 3 und 4 sowie Anker 5. Der Arbeitsmagnet 1 ist über eine Hülse 6 im Gehäuse 7 abgestützt und über Bund 8 mit Gehäuse 7 verschraubt.
  • Der Arbeitsmagnet 1 bildet mit einem feststehenden Joch 9 des Schaltsystems eine Einheit. Ein beweglicher Anker 10 des elek­tromagnetischen Schaltsystems wirkt über eine einstellbare Stell­schraube 11 auf eine Feder 12, die sich auf der Platte des Ankers 5 abstützt. Weiterhin ist der Anker 10 über einen Verbindungsbol­zen 13 mit dem Arbeitsmagneten 2 verbunden, der in der Hülse 6 axial verschiebbar geführt ist. Den Anschlag, über den bei dem gezeigten System die Position des Arbeitsmagneten 2 und damit der Arbeitshub eingestellt wird, bildet ein Befestigungsohr 14, das von der Kraft der vorgespannten Feder 12 gegen die Unterkante der Hülse 6 gedrückt wird. Der Arbeitsmagnet 2 ist an seiner Un­terseite so dimensioniert, daß die dem magnetischen Fluß zwischen der Wicklung 4 und der Unterseite zur Verfügung stehende Quer­schnittsfläche 16 deutlich kleiner ist als die übrigen Quer­schnittsflächen des magnetischen Kreises und somit schon bei mittlerer Aussteuerung des Magnetkreises eine Erhöhung des magne­tischen Widerstandes erfolgt. Eine Weicheisen-Scheibe 17 ist im Gehäuse 7 durch die Vorspannkraft einer Feder 24 gegen einen Anschlag 25 gedrückt.
  • Die angezogene Lage des Ankers 10 gegen das Joch 9 stellt für die in Figur 2 gezeigte Position des Schaltsystems den Anschlag dar. Gleichzeitig erweitert die Scheibe 17 in dieser Position die Querschnittsfläche des magnetischen Kreises und verringert somit den magnetischen Widerstand im Arbeitsmagneten 2. In dieser Posi­tion ist die Scheibe 17 vom Arbeitsmagneten 2 gegen die Kraft der vorgespannten Feder 24 um einen geringen Weg vom Anschlag 25 wegbewegt, und somit ist eine sichere Auflage des Arbeitsmagneten 2 auf der Scheibe 17 sichergestellt.
  • Über die Stellschraube 11 wird die Gleichgewichtslage des schwin­gungsfähigen Systems, bestehend aus Federn 12 und 18 sowie dem Anker 5, Schaft 19 des zu betätigenden Steuerelements und Feder­teller 20, so eingestellt, daß der Anker 5 im stromlosen Zustand in der Mitte zwischen den Arbeitsmagneten 1 und 2 ruht.
  • In dieser Position ist das mit Schaft 19 verbundene Steuerele­ment, beispielsweise ein Steuerventil einer Brennkraftmaschine, um seinen halben Hub geöffnet. Wenn der Anker 5 zur Anlage an den Magneten 1 gebracht ist, wird er dort durch Erregung der Wicklung 3 gehalten. In dieser Position befindet sich das Steuerelement in der geschlossenen Lage. Für den Betrieb der Stelleinrichtung wird der Strom in Wicklung 3 dann abgeschaltet, wodurch nach einer Zeitspanne, die im folgenden Abfallzeit genannt wird, der Anker 5 sich vom Magneten 1 löst und über die Gleichgewichtslage hinaus auf den Magneten 2 zubewegt. Die Wicklung 4 des Magneten 2 wird recht­zeitig erregt, so daß der Anker 5 aufgrund der wirkenden Magnetkraft an den Magneten 2 herangezogen und dort gehalten wird. Die Rückbewe­gung erfolgt sinngemäß. Dieser Ablauf gilt für beide möglichen Ar­beitshübe.
  • Im stromlosen Zustand von Wicklung 15 des Schaltsystems befindet sich das System in der Position kleinen Arbeitshubes. Wird die Wicklung 15 des Schaltsystems erregt, so wird der Anker 10 gegen die Kraft der vorgespannten Feder 12 gegen das Joch 9 angezogen. Um keine unkontrollierten Zustände zuzulassen, verbleibt der Anker 5 am Arbeitsmagneten 1, wo er durch Erregung der Wicklung 3 gehalten wird. Über die Verbindungsbolzen 13 wird die Bewegung des Ankers 10 auf den Arbeitsmagneten 2 übertragen und bewegt diesen gegen die Scheibe 17. Dadurch erhält der Arbeitsmagnet 2 eine vergrößerte Querschnittsfläche 16, die es erlaubt, das durch größeren Ar­beitshub erhöhte Kraftniveau zu kompensieren und somit das Strom­niveau zum Halten des Ankers 5 am Arbeitsmagneten 2 sowie die Ab­fallzeit nach Abschalten der Wicklung 4 bis zum Beginn der Ankerbe­wegung konstant zu halten. Die Gleichgewichtslage des schwingen­den Systems 5, 12, 18, 19, 20 liegt durch die Verschiebung des nichtbewegten Fußpunktes der Feder 12 wieder in der Mitte zwischen den Arbeitsmagneten 1 und 2. Das Schaltsystem wird bei dem gerin­gen Abstand zwischen Anker 10 und Joch 9 durch Erregung mit einem geringen Strom gehalten.
  • Figur 3 zeigt eine Stelleinrichtung, die zusätzlich zu den oben beschriebenen Merkmalen eine Dämpfung der Bewegung des Ankers 5 enthält. Wie Fig. 4 es erkennen läßt, bildet Anker 5 mit seiner Außenkante 26 einen Dichtspalt zur Hülse 6. Die Hülse 6 ist mit einer Eindrehung 27 versehen, über die die Luft aus dem Volumen oberhalb des Ankers in das unterhalb des Ankers gelegene Volumen abströmen kann. In der Nähe der Polfläche des oberen Magneten 1 verläßt die Außenkante 26 die Oberkante 24 der Eindrehung 27, und der Anker 5 verdichtet die im oberen Volumen verbliebene Luft. Die so entstehende Kraft dämpft eine Beschleunigung des Ankers 5, die andernfalls aufgrund der im Nahbereich des Magneten 1 stark progressiv ansteigenden Zugkraft eintreten würde.
  • Wie Fig. 3 zeigt, kann die Stelleinrichtung auch ein hydrauli­sches Längenausgleichselement 28 enthalten, welches im Anker 5 abgestützt ist und auf den Schaft 19 des Steuerelements wirkt. Das Längenausgleichselement 28 kann über den Anker 5 mit Drucköl versorgt werden.
  • Ein Permanentmagnet 29 kann im Arbeitsmagneten 1 angeordnet sein. Er ermöglicht das Halten des Ankers 5 ohne Stromfluß in Wicklung 3, und er unterstützt das Anziehen des Ankers 5. Daher kann die Wicklung 3 im Hinblick auf die beim Anziehen aufzuwendende Ener­gie gegenüber einer Ausführung ohne Permanentmagneten mit einem niedrigeren Stromniveau betrieben werden. Zum Ablösen des Ankers 5 von der Polfläche des Magneten 1 wird die Wicklung 3 mit gegen­über dem Anzugsvorgang umgekehrter Polung des Gleichstromes be­trieben. Das erregte Feld wirkt dem Feld des Permanentmagneten 29 entgegen, und die Kraftwirkung auf den Anker 5 nimmt ab, bis die Kraft der gespannten Feder 12 überwiegt und die Bewegung einlei­tet.
  • Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein elektromagnetisches Schaltsystem bestehend aus dem Joch 9 und dem Anker 10 mit einem Permanentmagneten 30. Zum Anziehen des Ankers 10 an das Joch 9 wird die Wicklung 15 erregt. Bei Auflage des Ankers 10 auf dem Joch 9 kann die Wicklung 15 abgeschaltet werden. Zum Lösen des Ankers 10 wird die Wicklung 15 bei umgekehrter Polung des Gleich­stroms erregt.
  • Figur 6 zeigt eine Anordnung zur Dämpfung der Schaltbewegung des Schaltsystems in der Bewegungsrichtung von kleinem Arbeitshub hin zu großem Arbeitshub. Die weichmagnetische Scheibe 17 ist an der Innenkante mit einer Hülse 41 versehen, die zum Arbeitsmagneten 2 hin einen Dichtspalt bildet. Die Hülse 41 enthält Öffnungen 42, die bei einer Bewegung des Arbeitsmagneten 2 und somit einer Ver­kleinerung des Raumes 43 ein Abströmen der Luft zulassen, bis der Arbeitsmagnet 2 in der Nähe der Scheibe 17 die Öffnungen ab­schließt und die verbleibende Luft komprimiert wird. Durch den Druckanstieg im Raum 43 ergibt sich eine dämpfende Kraft.
  • Figuren 7-13 zeigen weitere Ausführungsbeispiele zur Veränderung des magnetischen Widerstandes eines Arbeitsmagneten. Wichtig für die einwandfreie Funktion der Stelleinrichtung ist die exakte Re­produzierbarkeit des Kontaktes zwischen dem betreffenden Arbeits­magneten und der Weicheisenscheibe, die in den genannten Figuren jeweils mit den Bezugszeichen 31 und 32 bezeichnet sind. Schon geringe Unterschiede des Luftspaltes zwischen diesen Bauteilen können die Abfallzeiten verändern. Konische Ausbildungen gemäß Figuren 8 und 13 erlauben eine Selbstzentrierung, flache horizontale Ausbildungen gemäß Figur 7 sind einfach zu fertigen, vertikale Anordnungen gemäß Figuren 9 und 10 ergeben einen kon­stanten Radialspalt, während eine Ausbildung mit Stiften 33 ge­mäß Figuren 11 und 12 durch die Vielzahl von Elementen unanfällig gegen Ungenauigkeiten der Fertigung einzelner Passungen sind.
  • Figuren 14 bis 17 zeigen Alternativen zu der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführung der Stelleinrichtung. Die Stelleinrichtung ist vereinfacht dargestellt, und sie enthält im wesentlichen eine obere Feder 50, Arbeitsmagnete 51 und 52, eine untere Feder 53 und das elektromagnetische Schaltsystem 55.
  • Bei Verlagerung des Fußpunktes der oberen Feder 50 entsprechend den Figuren 14 und 16 ist eine Korrektur des magnetischen Wider­standes an beiden Arbeitsmagneten 51 und 52 sinnvoll, vor allem aber, aufgrund der erforderlichen kurzen Öffnungszeiten, eine Korrektur am Magneten 52. Wird der Fußpunkt der unteren Feder 53 verstellt, so ist das Kraftniveau am Magneten 51 bei geschlosse­nem Ventil hubunabhängig und konstant. Eine Korrektur ist nur am Magneten 52 sinnvoll. Die Anordnung des elektromagnetischen Schaltsystems 55 entsprechend den Darstellungen in den Figuren 16 und 17 unterhalb der Stelleinrichtung ermöglicht eine kompakte Verbindung mit dem Magneten 52, insbesondere in Kombination mit der Verstellung des Federfußpunktes der unteren Feder 53 gemäß Figur 17.
  • Figur 18 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Ausführungsform der Stelleinrichtung mit Arbeitsmagneten 60 und 61, Anker 62, Federn 63 und 64, Kipphebel 65 sowie Steuerventil 66. Ein elek­tromagnetisches Schaltsystem 67 bewegt über Stangen 68 den Magne­ten 60 sowie die Feder 63. Die Federn 63 und 64 haben unter Be­rücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses jeweils die halbe Gesamtfedersteifigkeit des schwingenden Systems.

Claims (17)

1. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung für oszillie­rend bewegbare Steuerelemente an Verdrängungsmaschinen, insbe­sondere für Flachschieber und Hubventile, bestehend aus einem Federsystem und zwei elektrisch arbeitenden Schaltmagneten, im folgenden Arbeitsmagnete genannt, durch die ein das Steuerele­ment betätigender Anker in zwei gegenüberliegende Schaltposi­tionen bewegbar ist, wobei der Ort der Gleichgewichtslage des Fe­dersystems zwischen den beiden Schaltpositionen liegt und der Ar­beitshub des Steuerelements durch Änderung der Lage der Polfläche eines Arbeitsmagneten sowie des Fußpunktes einer oder mehrerer Federn des Federsystems variiert werden kann, gekennzeichnet durch ein magnetisches Schaltsystem zur gleichzeitigen Änderung des Abstandes der Polflächen und Anpassung des Schwingungsmittel­punktes an die neue Lage der Polflächen durch Änderung der Lage eines oder mehrerer Federfußpunkte.
2. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen veränderbaren magnetischen Widerstand im Magnetkreis eines oder beider Arbeitsmagneten zur Einstellung der Abfallzeiten des Ankers.
3. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein gemeinsames elektromagnetisches Schalt­system zur Veränderung der Lage des der Öffnet-Position zugeord­neten Arbeitsmagneten und des Fußpunktes wenigstens einer der Federn des Federsystems sowie zur Veränderung des magnetischen Widerstands im Magnetkreis eines oder beider Arbeitsmagnete.
4. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung, durch die im stromlosen Zustand des Schaltsystems die Lage des der Öff­net-Position zugeordneten Arbeitsmagneten selbsttätig auf größten Arbeitshub eingestellt wird.
5. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung, durch die im stromlosen Zustand des Schaltsystems die Lage des der Öff­net-Position zugeordneten Arbeitsmagneten selbsttätig auf klein­sten Arbeitshub eingestellt wird.
6. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement über ein mechanisches Übertragungsglied betätigbar ist.
7. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied ein Kipp- oder Schlepphebel ist.
8. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch Bremsmittel, durch die die Bewegung des elektromagnetischen Schaltsystems nahe der Endlagen in einer oder beiden Bewegungsrichtungen gebremst wird.
9. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, gekennzeichnet durch Bremsmittel, durch die die Bewegung des Magnetankers zwischen den Arbeitsmagneten in der Nä­he der Endlagen durch Verdichten eines gasförmigen Mediums abge­bremst wird.
10. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Magnetan­kers im Mittelbereich ungebremst ist.
11. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch ein oder mehrere hydrauli­sche Ventilspielausgleichselemente zur spielfreien Betätigung der oszillierend bewegten Bauteile.
12. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilspielausgleichselement zwischen dem Magnetanker und dem Steuerelement angeordnet ist.
13. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilspielausgleichselement zwischen dem der Schließt-Position zugeordneten Arbeitsmagneten und dem Gehäuse angeordnet ist.
14. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem der Schließt-Position zugeordneten Arbeitsmagneten ein Permanentmag­net angeordnet ist.
15. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem der Öffnet-­Position zugeordneten Arbeitsmagneten ein Permanentmagnet ange­ordnet ist.
16. Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß im elektromagnetischen Schaltsystem ein Permanentmagnet angeordnet ist, der den Anker des Schaltsystems in geschlossener Position halten kann.
17. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das den magnetischen Widerstand beeinflussen­de, dem Arbeitsmagneten zugeordnete Bauteil gegen eine Vorspann­kraft in engen Grenzen verschiebbar ist.
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