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Dokumentenidentifikation DE102006035225A1 01.02.2007
Titel Elektromagnetische Stellvorrichtung
Anmelder ETO MAGNETIC KG, 78333 Stockach, DE
Erfinder Wagner, Uwe, Volketswil, CH;
Kaess, Henning, 78351 Bodman-Ludwigshafen, DE
Vertreter Hiebsch und Kollegen, 78224 Singen
DE-Anmeldedatum 26.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006035225
Offenlegungstag 01.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/122(2006.01)A, F, I, 20060726, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01F 7/127(2006.01)A, L, I, 20060726, B, H, DE   H01F 7/16(2006.01)A, L, I, 20060726, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem endseitig einen Eingriffsbereich ausbildenden und bewegbaren Stellelement (12), insbesondere Kolben, und einer relativ zum Stellelement stationär vorgesehenen und zum Ausüben einer Kraft auf dieses in einem bestromten Zustand ausgebildeten Spuleneinrichtung (34), wobei das Stellelement zumindest abschnittsweise Permanentmagnetmittel (14) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem stationären Kernbereich (32) ausgebildet sind, und die Spuleneinrichtung zum Erzeugen einer einer Haltekraft der Permanentmagnetmittel entgegenwirkenden und diese vom Kernbereich lösenden abstoßenden Gegenkraft als Reaktion auf ein elektronisches Steuersignal ausgebildet ist, wobei Steueranschlüsse der Spuleneinrichtung Signaldetektionsmittel (42 bis 48) zum Erfassen eines an der Spuleneinrichtung in einem unbestromten Zustand derselben anliegenden Spannungssignals zugeordnet sind, wobei ein Ausgangssignal der Signaldetektionsmittel zum Erzeugen eines einer Ankerbewegung in dem unbestromten Zustand entsprechenden Erfassungssignals auswertbar ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs; eine derartige Vorrichtung ist aus der deutschen Patentanmeldung 102 40 774 der Anmelderin bekannt.

So ermöglicht es eine derartige Vorrichtung, in einfacher und wirksamer Weise eine insbesondere auch bistabil wirkende Stellvorrichtung zu schaffen, welche eine einfache Herstellbarkeit mit steuerungstechnischen und energetischen Vorteilen, insbesondere bewirkt durch die Permanentmagnetmittel, kombiniert.

Gerade im Zusammenhang mit einem Einsatz als bistabiles Stellglied stellt sich doch häufig das Problem, dass in einem unbestromten Zustand der Spuleneinrichtung (nämlich einem Zustand, bei welchem kein elektronisches Ansteuersignal an der Spuleneinrichtung anliegt) durch z. B. mechanische Einflüsse auf das Stellelement (d.h. typischerweise den Kolben) eine Verschiebung desselben innerhalb der Vorrichtung erfolgt, insoweit ein undefinierter Positionszustand erzeugt wird, wobei eine derartige Position normalerweise nur mit beachtlichem zusätzlichem Aufwand detektierbar – und dann ggf. korrigierbar ist. Insbesondere finden hierfür typischerweise mechanische Abtast- oder Sensorelemente Verwendung, welche dann ihrerseits wiederum zur Positionserfassung einer Kolbenstellung auswertbar sind. Dies ist jedoch aufwendig und lässt sich oftmals nicht mit den räumlichen bzw. geometrischen Anforderungen an einer Einbauposition verbinden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung im Hinblick auf die einfache und zuverlässige Detektion einer Bewegung bzw. Positionsänderung des Stellelements im unbestromten Zustand der Vorrichtung weiterzubilden, wobei eine derartige Bewegungs- bzw. Positionserfassung die Grundlage für weitergehende Steuerungsreaktionen sein kann.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So hat es sich im Rahmen der Erfindung als besonders günstig herausgestellt, dass die erfindungsgemäß realisierte Vorrichtung besonders einfach detektierbare Spannungssignale in der Spuleneinrichtung im unbestromten Zustand derselben induziert, sobald der Kolben, etwa durch externe mechanische Einschlüsse, aus einer aktuellen Position ausgelenkt wird. Erfindungsgemäß wird diese induzierte Spannung in dem (typischerweise fensterartigen) Zeitraum des unbestromten Zustandes erfasst, amplituden-/polaritätsmäßig und/oder im Hinblick auf einen (relativen) Zeitpunkt von Spannungsmaxima, Spannungsminima (oder Überschreiten des vorbestimmten, bevorzugt einstellbaren Schwellwerts) ausgewertet und weiterer, nachfolgender Verarbeitung zugeführt.

Auf diese Weise lässt sich durch vergleichsweise einfache elektronische Auswertung eines ohne zusätzliche Peripherie an der vorhandenen Vorrichtung erzeugten Spannungssignals in überraschend einfacher und zuverlässiger Weise die gestellte Aufgabe lösen, nämlich ein Bewegungs- und/oder Positionssignal des Kolbens zu erzeugen.

Im Rahmen der Erfindung hat es sich nämlich herausgestellt, dass das erfindungsgemäß detektierte Spannungssignal (bzw. dessen Signalform im Spannungs-/Zeitdiagramm) einerseits zwar durch die geometrischen Verhältnisse der Stellvorrichtung, anderseits jedoch insbesondere auch durch die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung bedingt ist, so dass durch Auswertung eines solchen Signals, Idealerweise auch eines Signalverlaufs, genaue Aussagen über Bewegung und/oder Positionen eines in der Stellvorrichtung bewegten Kolbens möglich sind, vor allem durch Auswertung des Spannungssignals im Hinblick auf die erwähnten Extrem- bzw. Schwellwerte und deren (zeitliche) Position im Zeitfenster des unbestromten Zustandes.

Besonders geeignet ist es daher im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen, die typischerweise ohnehin vorhandene Steuereinheit für die Ansteuerung der Spuleneinrichtung (und mithin das Erzeugen des bestromten Zustandes) um die erfindungsgemäßen Signaldetektionsmittel zu ergänzen; diese würden (ggf. etwas verzögert) nach einem Ausschaltzeitpunkt für das (Spulen-) Steuersignal aktiviert und rechtzeitig vor einem (Wieder-) Aktivieren des Steuersignals deaktiviert werden, so dass in dem sich so ergebenden Mess-Zeitfenster eine Bewegungs- und/oder Positionserfassung durch Detektion des Spannungssignals bzw. des Verlaufs desselben erfolgen kann.

Dabei sind verschiedene Wege denkbar, in analoger Schaltungstechnik oder digital nach entsprechender AD-Wandlung, eine Extrem- oder Schwellwertbestimmung und/oder eine zeitliche Analyse des induzierten Spannungssignalsverlaufs vorzunehmen; die geeignete Umsetzung dürfte sich nach den Erfordernissen an Auflösung, Positionsgenauigkeit und möglichem Aufwand richten.

Die vorliegende Erfindung setzt zudem auf der in der DE 102 40 774 beschriebenen Technologie auf, so dass bevorzugte Weiterbildungen der dort beschriebenen Erfindung gleichermaßen auch von der vorliegenden Anmeldung mitumfasst und als zur Erfindung gehörig offenbart gelten sollen.

Im Ergebnis lässt sich somit in pragmatischer und überraschend einfacher Weise das Problem einer Bewegung- und Positionserfassung bei aus einer definierten Position im unbestromtem Zustand bewegten Kolbeneinheit od.dgl. lösen, nämlich durch erfindungsgemäße Detektion und Auswertung des durch eine solche Bewegung in der (vorhandenen) Spuleneinrichtung induzierten Spannungssignals, wobei dessen charakteristische Werte, insbesondere Schwellen- oder Extremwerte, Aufschluss über eine aktuelle Kolbenposition geben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; ergänzend sollen die 1, 3, 4 der DE 102 40 774.6 samt zugehöriger Beschreibung zum Zweck der Offenbarung eines Ausführungsbeispiels in die vorliegende Beschreibung von Ausführungsbeispielen einbezogen gelten. Von den anliegenden Figuren zeigen:

1: einen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit schematisch dargestellter, mit Steueranschlüssen der gezeigten Spuleneinheit verbundener Steuereinheit in einem ersten Anschlagzustand der Kolbeneinheit;

2: eine Darstellung analog 1 mit gegenüber der 1 eingeschobenem Kolben und zweitem, gegenüberliegendem Anschlagzustand und

3: ein Signal-/Zeitdiagramm zum Verdeutlichen des bestromten Zustandes der Spuleneinrichtung gemäß 1, 2 und eines als Reaktion auf eine Bewegung des Kolbens in unbestromtem Zustand induzierten Spannungssignals.

Die 1 und 2 zeigen in der schematischen Schnittansicht zunächst eine elektromagnetische Stellvorrichtung, welche im Hinblick auf die mechanische Realisierung der 1 der DE 102 40 774 entsprechen kann, gegenüber dieser jedoch stark vereinfacht und schematisiert ist. Im Hinblick auf detaillierte Ausgestaltungen der mechanischen Realisierung wird daher auf diese Figur sowie die zugehörige Figurenbeschreibung der DE 102 40 774 verwiesen, welche insoweit als in die vorliegende Anmeldung einbezogen gelten soll. So zeigen die 1 und 2 der vorliegenden Anmeldung nämlich insbesondere eine in einem Gehäuse 10 aus magnetisch leitfähigem Material beweglich gelagerte Kolbeneinheit 12, welche von einer einen scheibenförmigen Permanentmagneten 14 und Scheiben 16 aus magnetisch leitendem Material aufweisenden Ankereinheit 18 angetrieben wird. Die Ankereinheit 18 wirkt mit einem stationären Kernbereich 32 zusammen, wobei diesem eine Spuleneinheit 34 zugeordnet ist.

In der in der Patentanmeldung 102 40 774 beschriebenen Weise ist die so aufgebaute Anordnung bistabil, d.h. durch impulsförmige Signale eines Signalgenerators 36 einer Steuereinheit 40 ist die Einheit 18 zwischen einem ausgefahrenen Zustand (1) und einem eingefahrenen Zustand (2) hin- und herbewegbar, wobei in den jeweiligen Endpositionen kein Steuersignal anliegen muss, insoweit also der unbestromte Zustand vorliegt.

Zur Realisierung der vorliegenden Ausführungsform weist die Steuereinheit weitere Funktioneinheiten auf, nämlich zunächst einen Zeitgeber 44 und einen AD-Wandler 42, wodurch, innerhalb eines durch den Abfall des Ansteuersignals für die Spuleneinheit (3, linker Bereich) beginnenden Zeitraums ab t1, das durch eine (z.B. durch extern mechanischen Einfluss bewirkte) Bewegung des Kolbens induzierte Spannungssignal (3, rechter Bereich) digitalisiert wird und nachfolgend, mittels einer Detektoreinheit 46 sowie einem Schwellwertgeber 48, eine Auswertung dieses Spannungssignals erfolgt. Genauer gesagt, kommt es für die Bewegungs- bzw. Positionsbestimmung des Ankers darauf an, zu welchem Zeitpunkt nach dem durch den Zeitpunkt t1 (3) beginnenden Zeitfenster, der Spannungsextremwert des induzierten Spannungssignals auftritt, und welche (absolute) Amplitude dieser Wert besitzt. Durch Wirkung der Einheiten 42, 46, 48 lässt sich dies in der gewünschten Weise präzise feststellen und nachgelagerten Aggregaten, etwa zur Positionskorrektur od.dgl., zuführen.


Anspruch[de]
Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem endseitig einen Eingriffsbereich ausbildenden und bewegbaren Stellelement (12), insbesondere Kolben,

und einer relativ zum Stellelement stationär vorgesehenen und zum Ausüben einer Kraft auf dieses in einem bestromten Zustand ausgebildeten Spuleneinrichtung (34),

wobei das Stellelement zumindest abschnittsweise Permanentmagnetmittel (14) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem stationären Kernbereich (32) ausgebildet sind,

und die Spuleneinrichtung zum Erzeugen einer einer Haltekraft der Permanentmagnetmittel entgegenwirkenden und diese vom Kernbereich lösenden abstoßenden Gegenkraft als Reaktion auf ein elektronisches Steuersignal ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

Steueranschlüssen der Spuleneinrichtung Signaldetektionsmittel (42 bis 48) zum Erfassen eines an der Spuleneinrichtung in einem unbestromten Zustand derselben anliegenden Spannungssignals zugeordnet sind,

wobei ein Ausgangssignal der Signaldetektionsmittel zum Erzeugen eines einer Ankerbewegung in dem unbestromten Zustand entsprechenden Erfassungssignals auswertbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaldetektionsmittel zusammen mit Mitteln (36) zur Erzeugung des Steuersignals für den bestromten Zustand Bestandteile einer der Stellvorrichtung zugeordneten und/oder vorgeschalteten Steuereinheit (40) sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaldetektionsmittel eine Einrichtung zum Erfassen eines Spannungsschwellwerts, eines Spannungsmaximums und/oder eines Spannungsminimums in dem Spannungssignal während des unbestromten Zustands aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erfassen des Spannungsschwellwerts, des Spannungsmaximums und/oder des Spannungsminimums zum Erfassen eines Zeitpunkts des Spannungsschwellwerts, des Spannungsmaximums und/oder des Spannungsminimums während eines dem unbestromtem Zustand entsprechenden Zeitraums ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinrichtung so ausgebildet ist, dass Feldlinien jeweiliger magnetischer Felder der Permanentmagnetmittel und der Spuleneinrichtung zwischen diesen zum Erzeugen eines magnetischen Abstoßungseffektes als Gegenkraft parallel verlaufen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement so mit einem mechanischen Kraftspeicher zusammenwirkt, dass dieser eine der Haltekraft entgegenwirkende Federkraft auf das Stellelement ausübt. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel (14) als an einem dem Eingriffsbereich entgegengesetzten Endbereich des bevorzugt langgestreckt ausgebildeten Stellelements vorgesehene permanentmagnetische Scheibe ausgebildet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement ein den scheibenförmig ausgebildeten Permanentmagnetmitteln benachbart vorgesehenes Scheibenelement (16) aus magnetisch leitfähigem Material aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das als Kolben ausgebildete Stellelement in einem bevorzugt aus nichtmagnetischem Material geführten rohrförmigen Führungsabschnitt eines Gehäuses (10) der Stellvorrichtung geführt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spulenvorrichtung, bezogen auf die Permanentmagnetmittel, gegenüberliegende Gehäusewand für die Stellvorrichtung zum Realisieren der bistabilen Stellwirkung des Stellelements aus magnetisch leitendem Material hergestellt ist.






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