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DE29703587U1 - Elektromagnetischer Aktuator mit Näherungssensor - Google Patents

Elektromagnetischer Aktuator mit Näherungssensor

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DE29703587U1
DE29703587U1 DE29703587U DE29703587U DE29703587U1 DE 29703587 U1 DE29703587 U1 DE 29703587U1 DE 29703587 U DE29703587 U DE 29703587U DE 29703587 U DE29703587 U DE 29703587U DE 29703587 U1 DE29703587 U1 DE 29703587U1
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sensor
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coil
magnetic field
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Description

Bezeichnung Elektromagnetischer Aktuator mit Näherungssensor
Beschreibung
5
Elektromagnetische Aktuatoren, die im wesentlichen aus wenigstens einem Elektromagneten und einem mit dem zu betätigenden Stellglied verbundenen Anker bestehen, der bei einer Bestromung des Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder bewegbar ist, weisen sich durch eine hohe Schaltgeschwindigkeit aus. Ein Problem ist jedoch dadurch gegeben, daß bei der Annäherung des Ankers mit abnehmendem Abstand zur Polfläche des Elektromagneten die auf den Anker einwirkende Magnetkraft anwächst, so daß der Anker mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Polfläche auftrifft. Neben der Geräuschentwicklung kann es hierbei zu Prellvorgängen kommen, d. h. der Anker trifft zunächst auf der Polfläche auf, hebt dann aber zumindest kurzfristig ab, bis er endlich vollständig zur Anlage kommt. Hierdurch kann es zu Beeinträchtigungen der Funktion des Stellgliedes kommen, was insbesondere bei Aktuatoren mit hoher Schaltfrequenz zu erheblichen Störungen führen kann.
Es ist daher wünschenswert, wenn die Auirtreffgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 0pi(m/s liegen. Wichtig ist es hierbei, daß derart kleine Auftreffgeschwindigkeiten auch unter realen Betriebsbedingungen mit allen damit verbundenen stochastischen Schwankungen sicherzustellen sind. Störeinflüsse von außen, beispielsweise Erschütterungen 0 oder dergleichen, können in der letzten Annäherungsphase oder aber noch nach dem Anlegen an der Polfläche zu einem plötzlichen Abfallen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektromagnetischen Aktuator der vorstehend bezeichneten Art, den Anker mit geringer Auftreffgeschwindigkeit an seinen Sitz an der Polfläche heranzuführen, wobei jedoch eine ausreichende Haltekraft nach dem Auftreffen des Ankers auf der
Polfläche gegeben sein muß.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, durch einen elektromagnetischen Aktuator mit wenigstens einem Elektromagneten, an dessen Joch eine mit einer steuerbaren Stromversorgung verbundene Spule angeordnet ist sowie mit einem Anker, der mit einem zu betätigenden Stellglied in Verbindung steht und der bei Bestromung der Spule gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder aus einer ersten Schaltstellung in Richtung auf die Polfläche des Elektromagnetens in eine zweite Schaltstellung bewegbar geführt ist, und mit einem, im Bereich der Polfläche angeordneten Sensor zur Erfassung der Schwächung des Magnetfeldes im Anordnungsbereich des Sensors bei Annäherung des Ankers, der mit einer Steuereinrichtung zur Beeinflussung der Ankerbewegung verbunden ist.
Bei einer derartigen Positionierung des Sensors ist überraschenderweise festzustellen, daß der magnetische Fluß durch den Sensor mit zunehmender Annäherung des Ankers an die PoI-fläche immer weniger den Sensor durchsetzt. Dieser Einfluß wird insbesondere dann besonders deutlich, wenn der Anker sich nur noch in geringem Abstand von der Polfläche befindet. Damit steht ein sehr empfindliches und damit genaues Signal bezüglich der Ankerposition zur Verfügung, das nicht nur eine Aussage über den Abstand des Ankers zur Polfläche in Abhängigkeit von der Zeit darstellt, sondern auch die Möglichkeit bietet, dieses Signal auf die Steuereinrichtung zur Bestromung der Spule aufzuschalten und über eine Beeinflussung der Bestromung auch die Ankerbewegung, insbesondere im Nahbereich der Polfläche, zu beeinflussen. So ist es beispielsweise durch eine entsprechende Verminderung der Stromhöhe in der Spule die auf den Anker wirkende magnetische Kraft zu reduzieren und so die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf die Polfläche entsprechend zu vermindern.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß am Joch mit Abstand zur Polfläche ein zusätzlicher Sensor zur Erfassung der magnetischen Feldstärke als Korrektursensor angeordnet ist, der ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Durch die Anordnung eines derartigen Korrektursensors besteht die Möglichkeit, die absolute Größe des Magnetfeldes zu erfassen, über eine Erfassung der Stromhöhe ist es erfindungsgemäß möglich, auch ohne einen Korrektursensor die Größe des Magnetfeldes zu erfassen.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator im Schnitt,
Fig. 2 in größerem Maßstab den Verlauf der
Feldlinien bei großem Ankerabstand,
Fig. 3 in größerem Maßstab den Verlauf der
Feldlinien bei geringem Ankerabstand,
Fig. 4 schematisch den Verlauf des Stromes durch eine Spule des Magneten in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 5 eine Ausführungsform mit zwei im
Gegentakt auf einen Anker wirkenden Elektromagneten
30
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Referenzwertbildung
Der in Fig. 1 dargestellte elektromagnetische Aktuator besteht im wesentlichen aus einem Elektromagneten, dessen Joch 1 mit einer Spule 2 versehen ist. Die Spule 2 steht mit einer steuerbaren Stromversorgung 3 in Verbindung.
Der Polfläche 4 des Elektromagnetens ist ein Anker 5 zugeordnet, der mit einem übertragungsglied 6 mit einem hier nicht näher dargestellten Stellglied in Verbindung steht.
Die Darstellung in Fig. 1 zeigt den Aktuator mit stromlos gesetzter Spule 2 in seiner ersten Schaltstellung, in der der Anker 5 durch eine Rückstellfeder 7 gegen einen Anschlag 8 gehalten wird. Wird die Spule 2 bestromt, dann wird der Anker 5 unter dem Einfluß der auf ihn wirkenden Magnetkraft gegen die Rückstellkraft der Rückstellfeder 7 in Richtung des Pfeiles 9 bewegt, bis er auf die Polfläche 4 auftrifft und seine zweite Schaltstellung erreicht hat.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist in der PoI-fläche 4 eine Ausnehmung 10 vorgesehen, in der ein Sensor zur Erfassung der magnetischen Feldstärke oder des magnetischen Flusses angeordnet ist, beispielsweise ein Hall-Sensor. Der Sensor 11 steht über einer entsprechenden Signalleitung mit der Steuerung der steuerbaren Stromversorgung in Verbindung, so daß bei einer Annäherung des Ankers 5 an die Polfläche 4 die Position des Ankers 5 erfaßt und in Abhängigkeit von der Annäherung des Ankers 5 an die Polfläche 4 die Bestromung der Spule 2 steuerbar verändert werden kann. Dies wird nachstehend noch näher beschrieben. Entsprechend kann auch der Anker mit einer dem Sensor auf der Polfläche zugeordneten Ausnehmung versehen sein.
Die Anordnung des Sensors 11 ist in den Fig. 2 und 3 in größerem Maßstab dargestellt.
Befindet sich der Anker 5, wie in Fig. 2 dargestellt, noch in relativ großem Abstand zur Polfläche 4, dann ist der Luftspalt 4.1 zwischen der Polfläche 4 und der zugeordneten Gegenfläche Ankers 5 so groß, daß die Feldlinien 14 die PoIfläehe 4 ungeachtet der Ausnehmung 10 gleichmäßig durchsetzen, so daß auch der Sensor 11, beispielsweise ein Hall-Sensor praktisch in gleicher Weise vom Fluß durchsetzt wird.
Sobald jedoch der Anker 5 bei seiner Annäherung an die Polfläche 4, wie in Fig. 3 dargestellt, in den Nahbereich gelangt und der Luftspalt 4.2 etwa das Maß der Tiefe d der Ausnehmung 10 in der Polfläche 4 erreicht, dann ist der Luftspalt im Bereich des Sensors 11 um das Maß d deutlich größer als der Luftspalt 4.2 in den übrigen Bereichen zwischen der Polfläche 4 und dem sich annähernden Anker 5. Hierdurch wird bewirkt, daß sich mit zunehmender Annäherung des Ankers 5 der Fluß durch den Sensor 11 abnimmt. Bei der Verwendung eines sogenannten Hall-Sensors ergibt ein deutliches Absinken der Hallspannung im Nahbereich des Ankers, so daß hieraus ein zuverlässiges Signal zur Erfassung der Ankerposition gerade im Nahbereich zur Verfügung steht. Damit ist auch die Möglichkeit gegeben, beispielsweise die Bestromung der Spule 2 so zu reduzieren, daß mit zunehmender Annäherung des Ankers 5 an die Polfläche 4 die auf den Anker 5 wirkende Magnetkraft damit auch die Auftreffgeschwindigkeit reduziert wird, da entsprechend der Abnahme der auf den Anker 5 der Annäherung an die Polfläche 4 wirkenden Magnetkräfte der Einfluß der Rückstellkraft der Rückstellfeder 7 zunimmt. Durch eine entsprechende Steuerung der Bestromung der Spule 2 nun zum Zeitpunkt der Anlage des Ankers 5 an der Polfläche 4 kann der Strom entsprechend so gesteuert werden, daß die für ein sicheres Halten des Ankers erforderliche Magnetkraft zur Verfügung steht.
Diese sich zeitlich ändernde Schwächung des Magnetfeldes im Bereich des Sensors 11 bei Annäherung des Ankers, kann darüber hinaus auch für die sogenannte Auftrefferkennung genutzt werden. Sobald das vom Sensor 11 erzeugte Signal konstant bleibt, kann hieraus für die Steuerung der Bestromung ein entsprechendes Steuersignal abgeleitet werden.
Ebenso kann eine sogenannte Ablöseerkennung erfolgen, wenn 5 nämlich der Strom zum haltenden Magneten abgeschaltet wird, der Anker aber noch "klebt". Im Bereich des Sensors ist beim Lösen des Ankers von der Polfläche eine "untypische" Änderung
des Restmagnetfeldes feststellbar. In diesem Fall trotz Entfernung des Ankers ein relatives Anwachsen der Größe des Magnetfeldes in diesem Bereich bei insgesamt abnehmender Größe des Magnetfeldes. Hieraus kann dann ein Steuersignal für die Steuereinrichtung abgeleitet werden, beispielsweise für einen zweiten, jeweils "fangenden" Magneten, bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 5.
Will man bei der Steuerung des Stromes für die Spule 2, ggf. auch für andere Zwecke der Anzeige und Steuerung, die Absolutgröße der Feldstärke erfassen, wird am Joch 1 mit Abstand zur Polfläche 4, vorzugsweise auf der Polfläche 4 abgekehrten Rückenfläche 13 ein zusätzlicher Sensor 15 zur Erfassung der magnetischen Feldstärke angeordnet, der als Korrektursensor arbeitet und der die Möglichkeit bietet, durch eine Differenzbildung oder eine Quotientenbildung zwischen der über den Sensor 10 und der über den Sensor 15 erfaßten Feldstärke die tatsächlich wirkende Feldstärke zu ermitteln.
20
Die Position des Referenzsensors ist nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Position beschränkt. Sie muß nur derart im Magnetkreis angeordnet sein, daß der Verdrängungseffekt des Magnetfeldes bei Ankerannäherung schwächer ausgeprägt ist als derjenige des eigentlichen Meßsensors. Es ist sogar eine Anordnung möglich, bei der sich der Referenzsensor auf einem gemeinsamen Träger (z. B. Siliziumchip) mit dem Meßsensor befindet. Dann muß lediglich durch konstruktive Unterbringung dafür gesorgt werden, daß der Meßsensor eine stärkere FeId-Schwächung erfährt als der Referenzsensor, beispielsweise indem der Meßsensor in eine größere Aussparung hineinragt.
Durch die Differenzbildung, die direkt auf dem Chip erfolgen kann, oder auch der von der Exaktheit her noch günstigere Quotientenbildung zwischen Meß- und Referenzsignal wird ein von der tatsächlichen Feldstärke unabhängiges Signal erzeugt,
das unmittelbar ein Maß für die Nähe (den Abstand) des Ankers darstellt. Somit kann die Position auf einen genauen Abstand eingeregelt werden, und dort gehalten werden. Dies ist z. B. interessant, um bei Aktuatoren von Einlaßventilen an Verbrennungsmotoren sehr kleine Hübe zu realisieren.
Eine andere Möglichkeit, die Referenzwertbildung zu realisieren, ohne daß ein zweiter Sensor benutzt wird, besteht in der Verwendung der Information über die Stromhöhe. Aus der gemessenen Stromhöhe kann dann z. B. mit Hilfe einer Kennlinie, einer Formel oder einem Kennfeld die Stärke des Magnetfeldes abgeschätzt werden. Da die tatsächliche (Referenz-) Feldstärke nun aber wiederum abhängt von der Ankerposition, die bei diesem Verfahren ermittel werden soll, kann zur Erhöhung der Genauigkeit der Prozeß iterativ angewendet werden, wobei meist eine einzige Iterationsschleife ausreicht. Häufig kann jedoch auch auf die Iteration verzichtet werden, indem die zuletzt berechnete Position für die Ermittlung der Feldstärke herangezogen wird. Dies wird anhand von Fig. 6 noch näher erläutert.
In Fig. 4 ist schematisch der von der Steuerung der Stromversorgung 3 vorgegebene Verlauf des durch die Spule 2 fließenden Stromes dargestellt. Wie das Diagramm erkennen läßt, steigt während einer Zeit t]i der Strom bis auf eine vorgebbare Höhe Imax an, wobei der vorgebbare Maximalstrom so bemessen ist, daß die erzeugte Magnetkraft ausreicht, den Anker 5 gegen die Kraft der Rückstellfeder 7 in Richtung auf die Polfläche 4 zu bewegen. Da die auf den Anker 5 einwirkende Kraft mit zunehmender Annäherung an die Polfläche 4 anwächst, kann ab dem Zeitpunkt T]_ der zuzuführende Strom in seiner Höhe konstant gehalten oder sogar entsprechend abgesenkt werden, bis nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit t2 bis zum vermuteten Auftreffen des Ankers auf der.PoIflä-5 ehe 4 zum Zeitpunkt T2 der Anker und das damit verbundene Stellglied seine zweite Schaltstellung voraussichtlich mit Sicherheit erreicht hat.
Um den Anker 5 in dieser zweiten Schaltstellung über einen vorgebbaren Zeitraum tn halten zu können, wird eine deutlich geringere Haltkraft benötigt, so daß ab dem Zeitpunkt T2 über die Steuerung der Stromversorgung 3 die Höhe des der Spule 2 zugeführten Stromes auf Betrag I^ reduziert und damit Energie eingespart werden kann. Bekannt ist es hierbei zur Verbesserung der Energieexnsparung den Strom während des Zeitraumes tH zu takten, so wie dies im Diagramm dargestellt ist. Nach Ablauf der Haltezeit tH wird die Stromzufuhr zur Spule 2 zum Zeitpunkt T3 abgeschaltet, so daß sich der Anker 5 unter der Einwirkung der Kraft der Rückstellfeder 7 in seine erste Schaltstellung zurückbewegt. Diese Form der Steuerung der Bestromung ist bekannt.
Da nun über den Sensor 11 die Annäherung des Ankers 5 an die Polfläche 4 erfaßt werden kann, ist es nicht mehr erforderlich, den vorausgeschatzten AuftreffZeitpunkt T2 abzuwarten. Es bietet sich vielmehr die Möglichkeit, in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Abstand, der durch das Maß der über den Sensor 11 erfaßten Feldschwächung vorzeitig, beispielsweise zum Zeitpunkt T4, die Bestromung der Spule 2 zu reduzieren, um so in der Näherungsphase die auf den Anker 5 wirkenden Magnetkräfte entsprechend zu reduzieren. Die Reduzierung kann, wie in Fig. 4 dargestellt, auf Imin/ el· h. auf eine Minimalhöhe reduziert werden, die gerade ein zuverlässiges Anliegen des Ankers 5 an der Polfläche gewährleistet. Anschließend wird dann der Strom auf die durch die Taktung vorgegebene, für ein zuverlässiges Halten erforderliche Stromhöhe Ig erhöht. Der zeitliche Verlauf der Stromreduzierung ab dem Zeitpunkt T4 bis auf Imin ist hier schematisch und willkürlich gewählt. Bei entsprechender Ausbildung der Steuerung der Stromversorgung 3 kann in diesem Bereich eine an die jeweiligen Bedingungen angepaßte Formung des Stromverlaufs vorgenommen werden. Der gestrichelte Verlauf der Stromkurve zeigt die vorbekannte Stromsteuerung in Abhängigkeit von der Zeit.
"~ In Fig. 5 ist als praktisches Ausführungsbeispiel ein elektromagnetischer Aktuator dargestellt, wie er beispielsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen an einem Hubkolbenmotor
eingesetzt werden kann.
Bei dieser Ausführungsform sind zwei Elektromagnete A und B vorgesehen, die in ihrem Aufbau dem Magnet gemäß Fig. 1
entsprechen, so daß hier gleiche Bauelemente mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind.
Zwischen den beiden mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten A und B, die mit ihren Polflächen 4 gegeneinander ausgerichtet sind, ist wiederum der Anker 5 angeordnet, der über ein übertragungsmittel, beispielsweise eine Schubstange 6 auf ein Gaswechselventil einwirkt.
Bei dieser Ausfühungsform sind zwei Rückstellfedern 7.1 und 7.2 vorgesehen, die in ihrer Kraftwirkung gegeneinander gerichtet sind, so daß in dem hier dargestellten stromlosen
0 Zustand der Anker 5 sich bei gleicher Federvorspannung in
der Mittellage zwischen den beiden Polflächen 4 befindet. Die Rückstellfeder 7.1 wirkt hierbei in Öffnungsrichtung auf das Gaswechselventil 15 ein, während die Rückstellfeder 7.2 in
Schließrichtung auf Gaswechselventil einwirkt.
25
Die Spulen 2.1 und 2.2 der beiden Elektromagneten werden in ihrer Bestromung wiederum über eine steuerbare Stromversorgung 3 entsprechend den Gegebenheiten der Ansteuerung wechselweise beaufschlagt, so daß der Anker 5 jeweils zwischen
0 der durch die Anlage an der Polfläche 4 des Elektromagneten
A definierten ersten Schaltstellung und seiner Anlage an
der durch die Polfläche 4 des Elektromagneten B definierten zweiten Schaltstellung hin- und herbewegt und jeweils während der vorgegebenen Haltezeit auch gehalten werden kann.
35
* 10
1* . Bei der dargestellten Ausführungsform sind beide Elektromagneten A und B in der anhand von Fig. 1 beschriebenen Weise mit Sensoren 10 und 15 versehen, so daß jeweils bei der Annäherung des Ankers 5 an der Polfläche 4 eines der beiden Elektromagneten die Annäherungsgeschwindigkeit des Ankers an die Polfläche 4 reduziert werden kann, so daß der Anker 5 jeweils "sanft" auf der Polfläche auftrifft.
Die Änderung der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 5 auf der jeweiligen Polfläche 4 kann außer über eine Beeinflussung des Stromverlaufs, wie anhand von Fig. 4 als Ausführungsbeispiel beschrieben, auch durch die Ansteuerung einer sogenannten Bremsspule bewirkt werden. Hierzu ist zusätzlich zu der in Fig. 1 bzw. Fig. 5 dargestellten Spule des jeweiligen Elektromagneten eine weitere Spule auf das Joch aufgebracht, die mit einem eigenen in sich geschlossenem Stromkreis versehen ist, der über ein steuerbares Schaltelement geöffnet und geschlossen werden kann. Dieses Schaltelement kann dann über den Steuerungsteil der Bestromungseinrichtung 3 angesteuert werden. Bei geschlossenem Schaltelement wird infolge der Änderung des magnetischen Flusses in der Bremsspule ein Strom erzeugt, der ein der bestromten Spule entgegengerichtetes Magnetfeld erzeugt, so daß die auf den Anker resultierende magnetische Kraft ebenfalls reduziert wird.
Anstelle einer derartigen "selbsttätig" wirkenden Bremsspule ist es auch möglich, eine derartige Bremsspule an die steuerbare Stromversorgung 3 anzuschließen und über die Stromversorgung ein entsprechendes Gegenmagnetfeld aufzubauen. 30
Fig. 6 zeigt eine Schaltung für eine Referenzwertbildung ohne die Anordnung eines zusätzlichen Sensors. Hierzu wird der an der Spule gemessene Stromwert 20 zusammen mit der Weginformation 21 auf ein Kennfeld 22 geführt, in dem die Magnetfeld- . stärke B (oder ein anderer das Magnetfeld repräsentierender Wert) als Funktion des Weges (-Abstand des Ankers von der
Polfläche) als Tabelle (alternativ als mathematische Formel) abgelegt ist. Die Ausgangsgröße 23 aus diesem Kennfeld wird dann als Referenzsignal für das Magnetfeld dem Quotientenbildner 24 zugeführt. Diesem Quotientenbildner wird ebenfalls das Meßsignal 25 des "Verdrängungseffektsensors" 11 zugeführt. Der hieraus gebildete Quotient 26 wird über eine "Linearisierungseinheit" 27 in die tatsächliche Weginformation 28 überführt. Die Linearisierungseinheit kann hierbei mit Hilfe einer Tabelle oder aber einer Formel gebildet werden. Die Weg- bzw. Abstandsinformation kann dann zur Regelung des Bewegungsvorgangs genutzt werden. Außerdem kann diese Positionsinformation auch wieder zurückgeführt werden (29) auf den Eingang der beschriebenen Anordnung.

Claims (3)

s . Ansprüche
1. Elektromagnetischer Aktuator mit wenigstens einem Elektromagneten, an dessen Joch (1) eine mit einer steuerbaren Stromversorgung (3) verbundene Spule (2) angeordnet ist, sowie mit einem Anker (5), der mit einem zu betätigenden Stellglied in Verbindung steht und der bei Bestromung der Spule (2) gegen die Kraft wenigstens einer Rückstellfeder (7) aus einer ersten Schaltstellung in Richtung auf die Polfläche 4 des Elektromagneten in eine zweite Schaltstellung bewegbar geführt ist und der mit einem im Bereich der Polfläche (4) angeordneten Sensor (11) zur Erfassung der Schwächung des Magnetfeldes im Bereich des Sensors bei Annäherung des Ankers, der mit einer Steuereinrichtung (3) zur Beeinflussung der Ankerbewegung verbunden ist.
2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Joch (1) mit Abstand zur Polfläche (4) ein zusätzlicher Sensor (15) zur Erfassung der magnetischen Feldstärke als Korrektursensor angeordnet ist, der ebenfalls mit der Steuereinrichtung (3) verbunden ist.
3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (11) zur Erfassung der Schwächung des Magnetfeldes in einer Ausnehmung (10) der Polfläche (4) angeordnet ist.
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