PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102005030453A1 19.01.2006
Titel Verfahren zur Regelung des Spulenstroms eines elektromagnetischen Aktuators und elektromagnetische Stellvorrichtung
Anmelder Bayerische Motoren Werke AG, 80809 München, DE
Erfinder Guist, Christian, Dr., 80992 München, DE
DE-Anmeldedatum 28.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005030453
Offenlegungstag 19.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.01.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Stellvorrichtung zur Regelung des Spulenstroms eines elektromagnetischen Aktuators - insbesondere eines Hubaktuators zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine -, wobei der Aktuator einen zwischen zwei Endpositionen hin- und herbewegbaren Anker sowie einen Elektromagneten und einen Permanentmagneten umfasst, wobei der Anker in der ersten Endposition durch die Magnetkraft des Permanentmagneten entgegen einer Stellkraft gehalten wird und diese Permanentmagnetkraft durch den Aufbau einer entgegenwirkenden Elektromagnetkraft zur Initiierung eines Ablösevorganges geschwächt wird.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, den Energieverbrauch einer derartigen Vorrichtung zu minimieren.
Das Problem wird gelöst, indem im zeitlichen Anschluss an den Ablösezeitpunkt des Ankers die Spulenspannung der Spule des Elektromagneten derart eingestellt wird, dass ein aufgrund der Ankerbewegung in die Spule induzierter Spulenstrom bzw. der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom auf einen verminderten Wert eingeregelt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Spulenstroms eines elektromagnetischen Aktuators – insbesondere eines Hubaktuators zur Betätigung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine – sowie eine elektromagnetische Stellvorrichtung.

Es sind bereits verschiedenste elektromagnetische Aktuatoren beziehungsweise Stellvorrichtungen und Verfahren zur Steuerung eines Ankers eines elektromagnetischen Aktuators bzw. zur Regelung von Spulenströmen eines elektromagnetischen Aktuators bekannt. Die DE 102 21 134 A1 offenbart bereits einen elektromagnetischen Aktuator, der ebenfalls bevorzugt zur Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine Verwendung finden soll. Dieser Aktuator umfasst neben dem anzutreibenden Aktuator mindestens einen zu bestromenden Elektromagneten und mindestens einen Permanentmagneten. Dabei ist der Permanentmagnet in den Anker integriert. Der Anker wird von einer in die andere Endposition bewegt, in dem der Spulenstrom des bzw. der Elektromagneten umgepolt wird.

Ferner ist aus der DE 201 14 466 U1 ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, der ebenfalls neben einem anzutreibenden Anker einen Elektromagneten und einen Permanentmagneten umfasst. Der Permanentmagnet ist auch hier Bestandteil des Ankers und dient dazu, den Anker in einer Endposition sicher zu halten. Um den Anker aus dieser mittels Permanentmagnetkraft gehaltenen Endposition zu lösen wird der Elektromagnet zur Erzeugung eines Gegenfeldes bestromt. Bei deaktiviertem elektromagnetischem Gegenfeld durch Wegfall der Bestromung des Elektromagneten fällt der Anker in die durch den Permanentmagneten gehaltene Endposition zurück.

Auch sind gattungsbildende Vorrichtungen zur Steuerung von Hubventilen (bzw. Gaswechselventilen) bekannt, bei denen die Permanentmagnetkraft durch kurzzeitiges Bestromen eines zugeordneten Elektromagneten aufgehoben wird (DE 35 00 530 A1, DE 100 03 928 A1, DE 100 39 461 A1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Regelung des Spulenstroms eines elektromagnetischen Aktuators anzugeben, durch das/die die erforderliche elektrische Schaltenergie bei einem Schaltvorgang eines elektromagnetischen Aktuators reduziert wird. Ferner soll der Ablösevorgang des zu bewegenden Ankers im Vergleich zu herkömmlichen Systemen beschleunigt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst einen elektromagnetischen Aktuator mit einem zwischen zwei Endpositionen hin und her bewegbaren Anker, mindestens einem Elektromagneten, einem Permanentmagneten durch den der Anker entgegen einer Stellkraft in der ersten Endposition gehalten wird und mit Mitteln zur Erzeugung der Stellkraft. Weiterhin umfasst die Stellvorrichtung eine elektronische Steuereinrichtung zur gezielten Bestromung bzw. gezielten Einstellung einer Spulenspannung des mindestens einen Elektromagneten des elektromagnetischen Aktuators. Die Steuereinrichtung ist dafür derart ausgebildet, dass sie zur Überführung des in der ersten Endposition mittels der Permanentmagnetkraft des Permanentmagneten gehaltenen Ankers, die Spulenspannung des (der ersten Position zugeordneten) Elektromagneten derart einstellt, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten soweit geschwächt wird, bis der Anker sich aus der ersten Endposition wegzubewegen beginnt (Ablösezeitpunkt) und im zeitlichen Anschluss an diesen Ablösezeitpunkt die Spulenspannung weiter derart einstellt wird, dass zumindest ein aufgrund der Ankerbewegung in die Spule des (der ersten Endposition zugeordneten) Elektromagneten induzierter Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom (sich abbauender Spulenstrom und induzierter Spulenstrom) reduziert wird bzw. auf einen vorgegebenen reduzierten Wert eingeregelt wird.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird für den Ablösevorgang des Ankers aus der jeweiligen Endposition, in der der Anker mittels Magnetkraft des Permanentmagneten entgegen einer Federkraft gehalten ist, die Spulenspannung des Elektromagneten derart eingestellt, dass die hierdurch erzeugte Elektromagnetkraft die Permanentmagnetkraft soweit schwächt, bis die Permanentmagnetkraft geringer ist als die entgegenwirkende Stellkraft (Federkraft). Ist der Ablösezeitpunkt erreicht, erfolgt von diesem Zeitpunkt an eine energieoptimierte Regelung des Spulenstroms (induzierter Spulenstrom oder Gesamtspulenstrom) des Elektromagneten. Hierfür wird die Spulenspannung des, das Permanentmagnetfeld schwächenden Elektromagneten derart eingestellt, dass zumindest ein aufgrund der Ankerbewegung in diese Spule induzierter Spulenstrom bzw. der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom verringert bzw. auf einen vorgegebenen verringerten Wert eingeregelt wird.

Bei den folgenden Ausführungen wird für den Fall, dass der durch die Ankerbewegung induzierte Spulenstrom oder der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom eingeregelt werden soll, stets lediglich von der Einregelung des induzierten Spulenstroms gesprochen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist die Steuereinheit derart ausgebildet bzw. das Verfahren derart ausgeführt, dass der induzierte Spulenstrom auf den Wert Null geregelt wird. Hierdurch wird eine Regelung nach dem Kriterium der größtmöglichen Energieeinsparung realisiert. Bei dieser Vorgehensweise kann der Gesamtspulenstrom zunächst in der Art geregelt werden, dass die Magnetkraft des Elektromagneten die Magnetkraft des Permanentmagneten solange schwächt bis die Magnetkraft des Permanentmagneten geringer ist als die der Stellkraft (Federkraft). Dies verhindert, dass der Anker von der Permanentmagnetkraft wieder in seine Ausgangsstellung zurückbewegt wird. Danach wird der induzierte Spulenstrom bzw. der durch den induzierten Spulenstrom beeinflussten Gesamtspulenstrom (sich abbauender Spulenstrom und induzierter Spulenstrom) möglichst schnell auf den Wert Null geregelt.

In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit derart ausgebildet bzw. das Verfahren derart ausgeführt, dass die Spulenspannung in Abhängigkeit vom Kraftverlauf des Permanentmagneten eingestellt und der induzierte Spulenstrom so auf einen vorgegebenen reduzierten Spulenstromwert eingeregelt wird (insbesondere derart, dass die Magnetkraft der Elektromagneten zur größtmöglichen Schwächung des Magnetfeldes bzw. der Magnetkraft des haltenden Permanentmagneten führt), Hierdurch wird zum einen eine gewisse Energieeinsparung erzielt wird und zum anderen eine maximale Beschleunigung des Ankers gewährleistet. Eine derartige Regelung des Spulenstroms kann anhand eines hinterlegten Kennfeldes, in dem der bekannte Kraftverlauf des/der verwendeten Permanentmagneten hinterlegt ist, erfolgen.

Ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der 1 dargestellt. Diese zeigt einen elektromagnetischen Aktuator 10, der bevorzugt als Hubaktuator mit zwei gegenüberliegend angeordneten Elektromagneten EM_A, EM_B, einem zwischen den Elektromagneten EM_A, EM_B bewegbar angeordneten Anker 12 und mindestens einem Permanentmagneten PM ausgeführt ist. Vorzugsweise sind zwei Permanentmagneten PM_A, PM_B vorhanden, die beispielsweise gegenüberliegend in die beiden Elektromagnete EM_A, EM_B integriert sind. In einer anderen Ausführung können der eine oder die beiden Permanentmagnete PM_A, PM_B auch in den Anker 12 integriert sein.

Der Anker 12 ist in einer Ruhelage C mittig zwischen den beiden Elektromagneten EM_A; EM_B gehalten dargestellt (im Normalbetrieb wird der Anker diese Position nicht einnehmen und sich ausschließlich zwischen seinen beiden Endpositionen hin- und herbewegen). Dabei wirken auf den Anker 12 aus entgegengesetzten Richtungen über Federmittel 14 (Mittel zur Erzeugung einer Stellkraft) gleichgroße Kräfte, die den Anker 12 in der Ruhelage C positionieren. Sobald der Anker 12 über eine gewisse Wegstrecke aus der Ruhelage C in Richtung heraus bewegt wird (z.B. durch Anregung über die Elektromagnete EM_A; EM_B), wird er über einen der beiden Permanentmagnete PM_A, PM_B in eine der beiden Endpositionen A, B angezogen und dort stromlos ausschließlich über die Permanentmagnetkraft des dieser Endposition zugeordneten Permanentmagneten entgegen der resultierenden Federkraft der Federmittel 16 gehalten.

Für den bevorzugten Fall, dass mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Steuerung der Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine erfolgt, wirkt der Anker 12 auf ein Gaswechselventil 16.

Ferner ist eine elektronische Steuereinrichtung 20 vorhanden, die derart ausgebildet ist, dass sie zur Initiierung eines Ablösevorgangs für den mittels Permanentmagnetkraft in einer Endposition A, B gehaltenen Anker 12, die Spulespannung des entsprechenden Elektromagneten EM_A; EM_B derart einstellt, dass mittels einem erzeugten Elektromagnetfeld das haltende Permanentmagnetfeld soweit geschwächt wird, dass der Anker 12 durch die der Permanentmagnetkraft entgegenwirkende Stellkraft der Federmittel 16 aus seiner Endposition A, B gelöst wird und sich in Richtung zweite Endposition B, A bewegt. Ist die Permanentmagnetkraft auf diese Weise Überwunden (Ablösezeitpunkt), wird durch die Steuereinrichtung 20 ab diesem Zeitpunkt eine energieoptimierte Regelung des Spulenstroms durchgeführt, bei der ein aufgrund der Ankerbewegung in die Spule des, das Permanentmagnetfeld schwächenden Elektromagneten EM_A; EM_B induzierter Spulenstrom auf einen vorbestimmten reduzierten Wert (insbesondere auf den Wert gleich Null) einregelt wird.

Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der 1 näher erläutert werden:

Ausgehend von einer Position, in der sich der Anker 12 in einer der beiden Endpositionen A, B (beispielsweise Position A = Schließposition des Gaswechselventils) befindet und dort über den entsprechenden Permanentmagneten PM_A, PM_B (hier: Permanentmagnet PM_A) gehalten ist, wird zur Einleitung des Anker-Ablösevorgangs die Spulenspannung des Elektromagneten EM_A, EM_B (hier: EM_A/Anker-ablösende Seite der Magneteinheit) an dem der Anker 12 gerade anliegt derart eingestellt, dass ein Elektromagnetfeld erzeugt wird, welches derart ausgerichtet und in seiner Feldstärke derart bemessen ist, dass es das Magnetfeld des jeweiligen Permanentmagneten PM_A, PM_B (hier: PM_A) durch den der Anker 12 gerade in einer Endposition A, B (hier Endposition A) gehalten ist derart schwächt, dass die den Anker 12 in der Endposition A, B haltende Magnetkraft soweit geschwächt wird, bis sie in einem Ablösezeitpunkt kleiner als die entgegenwirkende Stellkraft des Federmittels 16 ist. Erfindungsgemäß wird ab dem Ablösezeitpunkt die Spulenspannung der Spule des Elektromagneten EM_A; EM_B (hier EM_A), der dem haltenden Permanentmagnetfeld mit seinem Elektromagnetfeld entgegenwirkt derart eingestellt, dass der aufgrund der Ankerbewegung in die Spule induzierte Spulenstrom auf einen verminderten Wert (vorzugsweise den Spulenstromwert Null) eingeregelt wird.

Um zu gewährleisten, dass der, sich aus der ersten Endposition (z.B. Endposition A) in die zweite Endposition (z.B. Endposition B) bewegende, Anker 12 durch eine Permanentmagnetkraft in der zweiten Endposition B sicher gehalten bzw. gefangen (Fangvorgang) wird, wird die Spulenspannung des zweiten Elektromagneten EM_B (Anker-fangende Seite der Magneteinrichtung) derart eingestellt, dass ein in die Spule des Elektromagneten EM_B aufgrund der Ankerbewegung induzierter Spulenstrom reduziert (vorzugsweise minimiert bzw. auf den Wert Null eingeregelt) wird. Hierdurch wird verhindert, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten PM_A, PM_B durch ein aufgrund des induzierten Spulenstroms entstehendes Elektromagnetfeld abgeschwächt wird, so dass der Anker 12 ggf. nicht in der entsprechenden Endposition gehalten werden könnte.

2 veranschaulicht in schematischer Darstellung den beschriebenen Regelkreis. Dabei bildet der elektromagnetische Aktuator (10) im wesentlichen die Regelstrecke S mit der Ausgangsgröße Regelgröße x in Form des zu regelnden Spulenstroms (Istwert des Spulenstroms Ix). Der gewünschte Spulenstrom Ix wird über die Stellgröße y als Ausgangsgröße eines Reglers R in Form einer einzustellenden Spulenspannung Uy für den Aktuator (10) vorgegeben, wobei der Regler R als Eingangsgrößen zumindest den Istwert des Spulenstroms Ix und eine gewünschte Spulenstromvorgabe in Form einer Sollgröße (Sollwert des Spulenstroms Iw) zugeführt bekommt. Mit K1 und K2 sind lediglich allgemein zwei interne Übertragungsfunktionen des Reglers R bezeichnet.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Regelung des Spulenstroms eines elektromagnetischen Aktuators (10) – insbesondere eines Hubaktuators zur Betätigung von Gaswechselventilen (16) einer Brennkraftmaschine – wobei der Aktuator (10) einen zwischen zwei Endpositionen (A, B) hin und her bewegbaren Anker (12) und ferner einen Elektromagneten (EM_A; EM_B) sowie einen Permanentmagneten (PM_A; PM_B) umfasst,

    – der Anker (12) in der ersten Endposition (A) durch die Magnetkraft des Permanentmagneten (PM_A; PM_B) entgegen einer Stellkraft gehalten wird,

    – und die Spulenspannung des Elektromagneten (EM_A; EM_B) derart eingestellt wird, dass ein Elektromagnetfeld erzeugt wird, welches derart ausgerichtet und in seiner Feldstärke derart bemessen ist, dass es das Magnetfeld des Permanentmagneten (PM_A; PM_B) soweit schwächt, bis die Magnetkraft des Permanentmagneten (PM_A; PM_B) in einem Ablösezeitpunkt kleiner als die entgegenwirkende Stellkraft ist,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – im zeitlichen Anschluss an den Ablösezeitpunkt die Spulenspannung der Spule des Elektromagneten (EM_A; EM_B) derart eingestellt wird, dass ein aufgrund der Ankerbewegung in die Spule induzierter Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom auf einen verminderten Wert eingeregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induzierte Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom ab dem Ablösezeitpunkt auf einen Spulenstromwert gleich Null geregelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der induzierte Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom ab dem Ablösezeitpunkt auf einen Spulenstromwert in Abhängigkeit vom Kraftverlauf des Permanentmagneten (PM_A; PM_B) geregelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im zeitlichen Anschluss an den Ablösezeitpunkt die Spulenspannung eines zweiten Elektromagneten (EM_B; EM_A) – der der Schwächung des Magnetfeldes eines zweiten Permanentmagneten (PM_B; PM_A), welcher den Anker (12) entgegen einer in Richtung erste Endposition (A; B) wirkenden Stellkraft in der zweiten Endposition (B; A) zu halten vermag – derart eingestellt wird, dass ein in die Spule des zweiten Elektromagneten (EM_B; EM_A) aufgrund der Ankerbewegung induzierter Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom auf einen vordefinierten Wert – insbesondere auf den Wert Null – eingeregelt wird.
  5. Elektromagnetische Stellvorrichtung umfassend

    – einen elektromagnetischen Aktuator (10) mit einem zwischen zwei Endpositionen (A, B) hin und her bewegbaren Anker (12), mindestens einem Elektromagneten (EM_A; EM_B), mindestens einem Permanentmagneten (PM_A; PM_B) durch den der Anker (12) entgegen einer Stellkraft in der ersten Endposition (A; B) gehalten wird und mit Mitteln (16) zur Erzeugung der Stellkraft,

    – sowie eine elektronische Steuereinrichtung (20) die derart ausgebildet ist, dass sie zur Überführung des in der ersten Endposition (A; B) mittels Permanentmagnetkraft gehaltenen Ankers (12), die Spulenspannung derart einstellt, dass das Magnetfeld des Permanentmagneten (PM_A; PM_B) soweit geschwächt wird, bis der Anker (12) sich zu einem Ablösezeitpunkt aus der ersten Endposition (A; B) wegzubewegen beginnt,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    – die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass im zeitlichen Anschluss an den Ablösezeitpunkt die Spulenspannung derart eingestellt wird, dass ein aufgrund der Ankerbewegung in die Spule des Elektromagneten (EM_A; EM_B) induzierter Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom auf einen vorgegebenen reduzierten Wert eingeregelt wird.
  6. Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass sie im zeitlichen Anschluss an den Ablösezeitpunkt die Spulenspannung derart einstellt, dass ein aufgrund der Ankerbewegung in die Spule des Elektromagneten (EM_A; EM_B) induzierter Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom auf den Wert Null geregelt wird.
  7. Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass sie im zeitlichen Anschluss an den Ablösezeitpunkt die Spulenspannung derart einstellt, dass ein aufgrund der Ankerbewegung in die Spule des Elektromagneten (EM_A; EM_B) induzierter Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom in Abhängigkeit vom Kraftverlauf des Permanentmagneten (PM_A; PM_B) so geregelt wird, dass die resultierende Kraft, die auf den Anker wirkt, möglichst gering, insbesondere Null wird.
  8. Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass im zeitlichen Anschluss an den Ablösezeitpunkt die Spulenspannung eines zweiten Elektromagneten (EM_B; EM_A) der der Schwächung des Magnetfeldes eines zweiten Permanentmagneten (PM_B; PM_A), welcher den Anker (12) entgegen einer in Richtung erste Endposition (A; B) wirkenden Stellkraft in der zweiten Endposition (B; A) hält – derart eingestellt wird, dass ein in die Spule des zweiten Elektromagneten (EM_B; EM_A) aufgrund der Ankerbewegung induzierter Spulenstrom beziehungsweise der durch den induzierten Spulenstrom beeinflusste Gesamtspulenstrom auf einen vordefinierten Wert – insbesondere auf den Wert Null – eingeregelt wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com