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Dokumentenidentifikation DE102005041873A1 08.03.2007
Titel Verfahren zur Bestimmung der Position eines Ankers eines Elektromagneten
Anmelder Linde AG, 65189 Wiesbaden, DE
Erfinder Strenzke, Hilmar, Dr., 63743 Aschaffenburg, DE
DE-Anmeldedatum 02.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005041873
Offenlegungstag 08.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.03.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Ankers eines Elektromagneten, insbesondere der Ruheposition des Ankers bei nicht angesteuertem Elektromagnet, wobei von dem Anker des Elektromagneten ein Ventilglied eines Steuerventils betätigt wird, insbesondere eines Sicherheitsventils einer Arbeitsmaschine, wobei sich das Ventilglied bei nicht angesteuertem Elektromagneten in einer Sicherheitsstellung und bei angesteuertem Elektromagneten in einer Freigabestellung befindet. Die Aufgabe, mit geringem Aufwand eine Bestimmung der Position des Ankers und somit der Position des Ventilgliedes des Steuerventils zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass anhand der Induktivität des Elektromagneten die Position des Ankers des Elektromagneten bestimmt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position des Ankers eines Elektromagneten, insbesondere der Ruheposition des Ankers bei nicht angesteuertem Elektromagnet, wobei von dem Anker des Elektromagneten ein Ventilglied eines Steuerventils betätigt wird, insbesondere eines Sicherheitsventils einer Arbeitsmaschine, wobei sich das Ventilglied bei nicht angesteuertem Elektromagneten in einer Sicherheitsstellung und bei angesteuertem Elektromagneten in einer Freigabestellung befindet.

Aus der DE 103 08 910 A1 ist ein mittels eines Elektromagneten betätigbares Steuerventil bekannt, dessen Ventilglied von dem Anker des Elektromagneten betätigt wird. Bei nicht angesteuertem Elektromagneten befindet sich das Steuerventil in einer Sicherheitsstellung, in der die von dem Steuerventil gesteuerten Funktionen nicht durchgeführt werden können. Bei angesteuertem Elektromagnet wird das Ventil in eine Freigabestellung beaufschlagt, um die von dem Steuerventil gesteuerten Funktionen durchführen zu können.

Derartige Steuerventile werden in Arbeitsmaschinen, beispielsweise Flurförderzeugen, als Sicherheitsventil, beispielsweise für die Arbeitshydraulik der Arbeitsmaschine, als Freigabeventil oder als Not-Aus-Ventil für beispielsweise einen Fahrantrieb der Arbeitsmaschine, eingesetzt.

Bei derartigen Steuerventilen kann es im Laufe einer langen Betriebszeit zu Funktionsstörungen kommen, wobei das Steuerventil aus mechanischen Gründen, beispielsweise einem Verklemmen des Ventilgliedes in der Freigabestellung bei nicht angesteuerten Elektromagneten, die Sicherheitsfunktion einschränkt bzw. verliert. Sofern sich das Steuerventil bei nicht angesteuertem Elektromagneten aufgrund eines Verklemmens des Ventilglieds in der Freigabestellung befindet und somit das Steuerventil die Sicherheitsfunktion verloren hat, kann dieser Zustand von Außen nicht erkannt werden. Für den sicheren Betrieb einer Arbeitsmaschine ist jedoch erforderlich, sicher zu ermitteln, ob sich das Steuerventil bei nicht angesteuertem Elektromagneten in der Sicherheitsstellung befindet und die normale Funktionsfähigkeit aufweist oder ob ein Betriebszustand des Steuerventils mit einer Funktionsstörung vorliegt, bei dem sich das Steuerventil, beispielsweise aufgrund eines klemmenden Ventilglieds, bei nicht angesteuertem Elektromagneten in der Freigabestellung befindet und die Sicherheitsfunktion verloren hat.

Aus der DE 101 50 199 A1 ist ein Verfahren zur Erkennen der Position des Ankers eines Elektromagneten beschrieben. Hierbei wird bei einer Ansteuerung des Elektromagneten anhand des Stromverlaufs bzw. des Spannungsverlauf ermittelt, ob der Anker ein normales Betriebsverhalten aufweist oder blockiert. Sofern mit diesem Elektromagneten ein Steuerventil betätigt wird, kann mit dem beschriebenen Verfahren die Position des Ventilgliedes und somit die Schaltstellung des Steuerventils ermittelt werden. Bei diesem Verfahren ist jedoch erforderlich, bei einer Ansteuerung des Elektromagneten den sich über die Ansteuerzeit einstellenden Stromverlauf bzw. Spannungsverlauf des Elektromagneten zu erfassen und somit den dynamischen Verlauf des Stromes bzw. der Spannung zu erfassen und anhand eines im normalen Betrieb auftretenden Stromeinbruchs bzw. Spannungseinbruchs die Funktion des Elektromagneten zu beurteilen.

Durch die Auswertung des dynamischen Verlaufs des Stromes bzw. der Spannung ist ein derartiges Verfahren jedoch aufwändig. Zudem hat sich gezeigt, dass nicht bei allen Elektromagnettypen mit diesem Verfahren eine sichere Erfassung der Position des Ankers und somit der Position des Ventilgliedes erfolgen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, das mit geringem Aufwand eine Bestimmung der Position des Ankers und somit der Position des Ventilgliedes des Steuerventils ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass anhand der Induktivität des Elektromagneten die Position des Ankers des Elektromagneten bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird somit mittels der Induktivität des Elektromagneten die Position des Ankers, insbesondere dessen Ruheposition, bestimmt. Die Erfindung nutzt hierbei den physikalischen Effekt, dass bei einem Elektromagneten die Induktivität von der Position des Ankers abhängig ist und sich mit der Lage des Ankers ändert. Bei nicht angesteuertem Elektromagnet befindet sich der Anker in der Ruheposition, in der der Anker eingefahren ist und der Elektromagnet eine kleine Induktivität aufweist. Bei angesteuertem Elektromagnet und ausgefahrenem Anker weist der Elektromagnet eine große Induktivität auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dieser Effekt ausgenutzt, wobei aus der Induktivitätsänderung des Elektromagneten zwischen der Ruheposition des Ankers und der ausgefahrenen Stellung des Ankers die Position des Ankers und somit die Position des Ventilgliedes sicher und auf einfache Weise bestimmt werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere die Ruheposition des Ankers und somit die normale Funktionsfähigkeit des Steuerventils, bei der sich das Ventilglied bei nicht angesteuertem Elektromagneten in der Sicherheitsstellung befindet, sicher und auf einfache Weise ermittelt werden. Sofern eine Funktionsstörung des Steuerventils vorliegt und das Ventilglied bei nicht angesteuertem Elektromagnet in der Freigabestellung verklemmt ist, wird der Anker bei einer Ansteuerung des Elektromagneten bereits bei einem geringen Ansteuerstrom in Richtung des Ventilgliedes beaufschlagt und nimmt anstelle der Ruheposition, in der der Anker eingefahren ist und der Elektromagnet eine kleine Induktivität aufweist, eine Stellung mit ausgefahrenem Anker als falsche Anfangslage ein, in der der Elektromagnet eine hohe Induktivität aufweist. Der Elektromagnet ändert somit seine Induktivität, wobei aus der Änderung der Induktivität diese falsche Anfangslage des Ankers und somit die Funktionsstörung des Steuerventils sicher und auf einfache Weise erfasst werden kann. Sofern anhand der Induktivität eine von der Ruheposition mit eingefahrenem Anker abweichende falsche Anfangslage mit ausgelenktem Anker ermittelt wird, kann somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Funktionsstörung des Steuerventils, beispielsweise ein in der Freigabestellung klemmendes Ventilglied, sicher ermittelt werden, und somit ein sicherer Betrieb der Arbeitsmaschine auf einfache Weise sichergestellt werden.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vor der Ansteuerung des Elektromagneten die Position des Ankers und somit die Position des Ventilgliedes ermittelt wird. Hierdurch kann auf einfache Weise ein sicherer Betrieb der Arbeitsmaschine sichergestellt werden, da die Ansteuerung des Elektromagneten und somit die Beaufschlagung des Steuerventils in die Freigabestellung nur freigegeben werden kann, wenn anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wird, dass sich der Anker in der Ruhelage befindet und somit das Ventilglied in die Sicherheitsstellung beaufschlagt ist und das Steuerventil keine Funktionsstörung aufweist.

Die Position des Ankers kann anhand der Induktivität des Elektromagneten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung auf einfache Weise bestimmt werden, wenn an den Elektromagneten eine Wechselspannung, insbesondere eine stationäre Wechselspannung, angelegt wird, und der Strom gemessen wird. Die Höhe des sich aus der angelegten Wechselspannung ergebenden Stroms ist von der Induktivität des Elektromagneten abhängig. Befindet sich der Anker in der Ruhestellung und ist eingefahren, weist der Elektromagnet eine kleine Induktivität auf, bei der sich bei einer angelegten Wechselspannung ein hoher Strom einstellt. Befindet sich dagegen der Anker in der ausgefahrenen Stellung, in der der Elektromagnet eine hohe Induktivität aufweist, stellt sich bei der angelegten Wechselspannung ein geringer Strom ein. Aus dem sich ergebenden Wechselstrom, der von der Induktivität des Elektromagneten abhängig ist und auf einfache Weise gemessen werden kann, kann somit sicher die Position des Ankers und somit die Position des Ventilgliedes bestimmt werden. Gegenüber der DE 101 50 199 A1, bei der während der Ansteuerung des Elektromagneten eine dynamische Erfassung des Stromverlaufs bzw. des Spannungsverlaufs erforderlich ist, kann somit durch die erfindungsgemäße stationäre Erfassung des sich aus der angelegten Wechselspannung ergebenden Stroms auf einfache Weise die Position des Ankers und somit die Position des Ventilglieds bestimmt werden.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn als Referenzwert die Induktivität des Elektromagneten bei ausgefahrenem Anker bestimmt wird. Nach einmaligem Erfassen des sich bei angelegter Wechselspannung einstellenden minimalen Stroms und somit der größten Induktivität für den ausgefahrenen Anker als Referenzwert kann auf einfache Weise durch Anlegen einer Wechselspannung und Messen des sich einstellenden Stromes und Vergleich mit dem Referenzwert ermittelt werden, ob sich der Anker in einer falschen Anfangslage mit ausgefahrenem Anker befindet, wobei das Steuerventil eine Funktionsstörung aufweist, oder ob sich der Anker in der Ruheposition mit eingefahrenem Anker befindet, in der das Steuerventil die normale Funktionsfähigkeit aufweist. Durch diese Erfassung der Induktivität bei ausgefahrenem Anker als Referenzwert kann zudem für verschiedene Elektromagnettypen auf einfache Weise ein Referenzwert für die Induktivität erfasst werden und somit bei Anlegen einer Wechselspannung aus dem sich einstellenden Strom die Position des Ankers, insbesondere die Ruheposition oder eine falsche Anfangslage mit ausgefahrenem Anker, ermittelt werden. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, unterschiedliche Elektromagnettypen zur Betätigung des Steuerventils vorzusehen und aus der Messung des Stroms einer angelegten Wechselspannung die Position des Ankers, insbesondere die Ruheposition des Ankers mit eingefahrenem Anker, in der die normale Funktionsfähigkeit des Steuerventils gegeben ist, oder die falsche Anfangslage des Ankers mit ausgefahrenem Anker, in der das Steuerventil eine Funktionsstörung aufweist, zu bestimmen und zu ermitteln.

Eine Wechselspannung kann an dem Elektromagneten auf einfache Weise angelegt werden, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung an den Elektromagneten eine getaktete Spannung angelegt wird. Eine getaktete Spannung, die von üblichen Endstufen einer Steuereinrichtung erzeugt wird, die zur Ansteuerung des Elektromagneten eingesetzt werden, weist einen Wechselspannungsanteil auf, der einen Wechselstromanteil bewirkt. Hierdurch ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem eine Wechselspannung an den Elektromagneten angelegt wird, mit der zur Ansteuerung des Elektromagneten bereits vorhandenen Endstufe der Steuereinrichtung durchzuführen, wodurch sich ein geringer Bauaufwand für das erfindungsgemäße Verfahren ergibt.

Zweckmäßigerweise wird hierbei gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zur Erfassung des Referenzwertes der Mittelwert der getakteten Spannung reduziert. Zur Erfassung des von dem ausgefahrenen Anker gebildeten Referenzwertes wird somit der Mittelwert der getakteten Spannung der Endstufe reduziert. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein Wechselspannungsanteil verbleibt, der bei Aufschaltung der vollen getakteten Spannung verschwinden würde.

Um zu verhindern, dass bei der Erfassung der Position des Ankers mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Anker ausgelenkt wird und somit gegebenenfalls das Ventilglied betätigt wird, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass zur Erfassung der Position des Ankers des Elektromagneten mittels der getakteten Spannung ein geringer Messstrom verwendet wird. Hierdurch kann die von der Endstufe erzeugte Wechselspannung und der sich einstellende Strom als Messstrom zur Erfassung der Position des Ankers verwendet werden, wobei aufgrund des geringen Mittelwertes des Stromes eine Betätigung des Ankers und somit des Ventilgliedes vermieden wird.

Um einen niedrigen Mittelwert des Stromes zu erhalten, kann das Pulsbreitenverhältnis des Taktes der Spannung verkleinert werden. Durch den niedrigen Strom wird eine geringe Kraftwirkung auf den Anker erzielt, wodurch die Position des Ankers bestimmt werden kann ohne dass der Anker aufgrund einer zu hohen Ankerkraft das Ventilglied betätigt. In diesem Zustand kann bei gleichem Pulsbreitenverhältnis die Taktfrequenz abgesenkt werden, um einen möglichst großen Wechselstromanteil zu erzielen, wodurch die Messgenauigkeit der Wechselstrommessung verbessert werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einer automatisierten Messelektronik, insbesondere einer Endstufe einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Elektromagneten, durchgeführt, wodurch auf einfache Weise vor einer Ansteuerung des Elektromagneten und somit des Steuerventils die Position des Ankers und somit die Position des Ventilgliedes erfasst werden kann. Diese Messelektronik kann auf einfache Weise von der bereits vorhandenen Endstufe einer Steuereinrichtung gebildet werden, da diese bereits mit Komponenten zur Erzeugung einer Wechselspannung und zur Messung des Wechselstromes ausgestattet ist.

Hierdurch ist es möglich, mit der bereits vorhandenen Endstufe der Steuereinrichtung durch das erfindungsgemäße Verfahren die Position des Ankers des Elektromagneten und somit die normale Funktionsfähigkeit des Steuerventils oder eine Funktionsstörung des Steuerventils vor dessen Ansteuerung zu ermitteln, so dass mit geringem Bauaufwand ein sicherer Betrieb der Arbeitsmaschine erzielt wird.


Anspruch[de]
Verfahren zur Bestimmung der Position des Ankers eines Elektromagneten, insbesondere der Ruheposition des Ankers bei nicht angesteuertem Elektromagnet, wobei von dem Anker des Elektromagneten ein Ventilglied eines Steuerventils betätigt wird, insbesondere eines Sicherheitsventils einer Arbeitsmaschine, wobei sich das Ventilglied bei nicht angesteuertem Elektromagneten in einer Sicherheitsstellung und bei angesteuertem Elektromagneten in einer Freigabestellung befindet, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Induktivität des Elektromagneten die Position des Ankers des Elektromagneten bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Induktivität des Elektromagneten die Position des Ankers vor der Ansteuerung des Elektromagneten ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Elektromagneten eine Wechselspannung, insbesondere eine stationäre Wechselspannung, angelegt wird, und der Strom gemessen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzwert die Induktivität des Elektromagneten bei ausgefahrenem Anker bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Elektromagneten eine getaktete Spannung angelegt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Referenzwertes der Mittelwert der getakteten Spannung reduziert wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der Position des Ankers des Elektromagneten mittels der getakteten Spannung ein geringer Messstrom verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Messstromes die Taktfrequenz verändert wird. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer automatisierte Messelektronik, insbesondere einer Endstufe einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Elektromagneten, durchgeführt wird.






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