[0001] Die Erfindung betrifft einen bistabilen Schaltmagneten mit einer Erregerspule und
einem, gegenüber der Erregerspule durch einen Schaltstrom in der Erregerspule in eine
erste Schaltposition und eine zweite Schaltposition, verstellbaren Kolben und mit
einem Kolbenpositionsdetektor zur Detektion, ob der Kolben in seine erste oder seine
zweite Schaltposition verstellt ist. Der Kolben ist mit einem Dichtelement verbunden,
welches den Durchfluss eines Mediums durch ein außerhalb des Schaltmagneten angeordnetes
Ventil je nach Kolbenposition freigibt oder unterbricht.
[0002] Das Dokument
EP 2 164 081 A2 offenbart so einen Schaltmagneten, bei dem der Kolbenpositionsdetektor durch zwei
mechanische Kontakte gebildet ist. Je nach Schaltposition des Kolbens des Schaltmagneten
wird entweder der eine oder der andere mechanische Kontakt geschlossen. Das Vorsehen
von mechanischen Kontakten hat den Nachteil von zusätzlicher Reibung und einem mechanischen
Verschleiß der Kontakte.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Schaltmagneten mit Kolbenpositionsdetektor
zu schaffen, bei dem die vorstehend angeführten Nachteile vermieden sind. Erfindungsgemäß
wird diese Aufgabestellung dadurch gelöst, dass der Kolbenpositionsdetektor durch
zumindest einen eine magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis erzeugenden Permanentmagneten
und einen im Bereich des magnetischen Kreises angeordneten Magnetfeldsensor gebildet
ist, die beide im Bezug auf die Erregerspule unverstellbar befestigt in dem Schaltmagneten
vorgesehen sind, und wobei der Kolbenpositionsdetektor Auswertemittel aufweist, die
zur Detektion der Kolbenposition die von dem Magnetfeldsensor gemessene, von der Schaltposition
des Kolbens abhängige magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis auswerten.
[0004] Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die Detektion der aktuellen Position des
Kolbens im Schaltmagneten berührungslos erfolgt. Da der Magnetfeldsensor nicht das
von der Erregerspule nur zum Umschalten der Schaltposition des Kolbes erzeugte Magnetfeld,
sondern das immer durch den Permanentmagneten vorhandene Magnetfeld detektiert, kann
die Detektion der Kolbenposition immer dann erfolgen, wenn der Kolben eine seiner
zwei möglichen Schaltpositionen eingenommen hat.
[0005] Es kann erwähnt werden, dass Positionsdetektoren bekannt sind, bei denen auf dem
bewegten Teil (z.B. Verriegelungsbolzen oder Kolben) ein Permanentmagnet befestigt
ist und mit einem stillstehenden Magnetfeldsensor detektiert wird, ob der Permanentmagnet
nahe (z.B. erste Schaltposition) oder weit entfernt (z.B. zweite Schaltposition) von
dem Magnetfeldsensor entfernt ist. Erfindungsgemäß kann auf diesen für den Positionsdetektor
zusätzlichen Permanentmagneten auf dem bewegten Teil (Kolben des Schaltmagenten) verzichtet
werden, da das Magnetfeld des Permanentmagneten zur Positionsdetektion ausgenutzt
wird, der zum Halten des Kolbens in seiner zweiten Schaltposition vorgesehen ist.
Hierdurch können Kosten bei der Herstellung des Schaltmagneten eingespart werden.
Besonders vorteilhaft ist, dass der Kolben ohne einem auf dem Kolben befestigten Permanentmagneten
leichter und beweglicher ausgeführt werden kann, was sowohl bezüglich der Schaltgeschwindigkeit
als auch für die zum Schalten nötige Stromstärke des Schaltstroms vorteilhaft ist.
[0006] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems werden im Folgenden
anhand der Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen bistabilen Schaltmagneten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Figur 2 zeigt die von dem Hallsensor des Schaltmagneten gemäß Figur 1 gemessene magnetische
Flussdichte in Abhängigkeit der Schaltposition des Kolbens.
Figur 3 zeigt einen bistabilen Schaltmagneten gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
bei dem ein zweiter Permanentmagnet vorgesehen ist.
[0007] Figur 1 zeigt einen bistabilen Schaltmagneten 1 als Teil eines bistabilen Membranventils,
das gemäß diesem Beispiel zum Absperren oder Freigeben einer Wasserleitung eines Autos
ausgebildet ist. Das Wasser wird dem Membranventil in ein Volumen zugeführt und über
ein weiteres Volumen von dem Membranventil wieder abgegeben. Der Schaltmagnet 1 weist
einen Kolben 4 auf, der in Figur 1 in seiner ersten Schaltposition dargestellt ist.
In dieser ersten Schaltposition drückt eine Feder 5 einen Anschlagring 6 mit einer
Federkraft FK in Richtung R gegen eine Anschlagfläche 7 des Gehäuses des Schaltmagneten
1. In dieser Schaltposition sind das Volumen und das weitere Volumen miteinander verbunden
und es ist der Wasserfluss in der Leitung von dem Membranventil freigegeben. Der Kolben
4 ist gegen die Federkraft FK entgegen der Richtung R in eine zweite Schaltposition
verschiebbar. In dieser zweiten Schaltposition dichtet ein in den Figuren nicht dargestelltes
Dichtelement das Volumen gegen das weitere Volumen ab, weshalb der Wasserfluss in
der Leitung unterbrochen ist. Erfindungsgemäße Schaltmagnete sind für eine Vielzahl
anderer Anwendungsbeispiele verwendbar, auf die in dieser Beschreibung nicht näher
eingegangen ist.
[0008] Der Schaltmagnet 1 ist bistabil ausgebildet, weshalb der Kolben 4 entweder in seiner
ersten Schaltposition oder in seiner zweiten Schaltposition gehalten positioniert
ist. Die Feder 5 hält den Kolben 4 mit der Federkraft FK in seiner ersten Schaltposition.
Der Schaltmagnet 1 weist weiters einen Permanentmagneten 8 auf, der über einen Polkern
9 eine magnetische Anziehungskraft MK entgegen der Richtung R auf den Kolben 4 ausübt.
Wenn der Kolben 4 in seiner ersten Schaltposition verstellt ist, dann ist die magnetische
Anziehungskraft MK zu schwach, um den Kolben 4 von seiner ersten Schaltposition in
seine zweite Schaltposition zu verstellen. Wenn der Kolben 4 in seine zweite Schaltposition
verstellt ist, dann ist die Federkraft FK zu schwach, um den Kolben 4 von seiner zweiten
Schaltposition in seine erste Schaltposition zu verstellen.
[0009] Der Schaltmagnet 1 weist nunmehr weiters eine Erregerspule 10 auf, in die ein Schaltstrom
(Gleichstrom) mit einer ersten Polung eingespeist werden kann, um den Kolben 4 von
seiner ersten Schaltposition in seine zweite Schaltposition zu verstellen, und in
die ein Schaltstrom mit einer zweiten Polung eingespeist werden kann, um den Kolben
4 von seiner zweiten Schaltposition in seine erste Schaltposition zu verstellen.
[0010] Der Schaltmagnet 1 weist weiters einen Kolbenpositionsdetektor zur Detektion auf,
ob der Kolben in seine erste oder seine zweite Schaltposition verstellt ist. Anhand
dieser Information von dem Kolbenpositionsdetektor kann beispielsweise die KFZ-Elektronik
den Schaltzustand des Kolbens 4 überprüfen und bei Abweichungen vom Soll-Zustand entsprechende
Maßnahmen einleiten. Der Kolbenpositionsdetektor umfasst einen Hallsensor 11, den
Permanentmagneten 8 und Auswertemittel, die in der Figur 1 nicht näher dargestellt
sind.
[0011] In dem Schaltmagneten 1 bildet sich ein magnetischer Kreis aus, über den der magnetische
Fluss des Permanentmagneten 8 von dem Permanentmagneten 8 über den Polkern 9, den
Kolben 4 und den Luftspalt zwischen dem Kolben 4 und dem Polkern 9 oder dem Gehäuse,
über das Gehäuse des Schaltmagneten 1 zum Permanentmagneten 8 geleitet wird. Sobald
ein Schaltstrom in die Erregerspule 10 eingeprägt wird überlagert sich der magnetische
Fluss der Erregerspule dem magnetischen Fluss des Permanentmagneten 8, wodurch der
Kolben 4 zwischen seinen beiden Schaltpositionen verstellt wird.
[0012] Der Hallsensor 11 ist nunmehr zwischen Kolben 4 und dem Gehäuse im Bereich des magnetischen
Kreises angebracht, weshalb der Hallsensor 11 die magnetische Flussdichte in dem magnetischen
Kreis misst. In der Figur 2 ist eine Messkennlinie M der von dem Hallsensor 11 gemessenen
Flussdichte in Millitesla [mT] in Abhängigkeit der Länge in Millimeter [mm] des Luftspalts
des Kolbens 4 zum Polkern 9 dargestellt. Wenn der Kolben 4 in seine, in der Figur
1 dargestellte, erste Schaltposition verstellt ist, dann ist die Länge des Luftspalts
in diesem Ausführungsbeispiel 3,5 mm und der Hallsensor 11 misst eine magnetische
Flussdichte von etwa 5 mT. Wenn andererseits der Kolben 4 in seine zweite Schaltposition
verstellt ist, dann ist die Länge des Luftspalts etwa 0 mm und der Hallsensor 11 misst
eine magnetische Flussdichte von etwa 24 mT. Diese Messwerte ergeben sich durch das
Magnetfeld des Permanentmagneten 8 und sind von dessen Magnetfeldstärke und anderen
Einflussfaktoren in dem magnetischen Kreis abhängig.
[0013] Auswertemittel des Kolbenpositionsdetektors sind nunmehr dazu ausgebildet zu detektieren,
dass der Kolben 4 in seine erste Schaltposition verstellt ist, wenn die gemessene
magnetische Flussdichte kleiner als ein unterer Schwellwert OS von 7 mT ist. Weiters
detektieren die Auswertemittel des Kolbenpositionsdetektors, dass der Kolben 4 in
seine zweite Schaltposition verstellt ist, wenn die gemessene magnetische Flussdichte
größer als ein oberer Schwellwert US von 18 mT ist. Durch die Abhängigkeit des magnetischen
Flusses im magnetischen Kreis von der Schaltposition des Kolbens 4 und der Anwendung
des oberen Schwellwertes OS und unteren Schwellwertes US ist der Vorteil erhalten,
dass der Kolbenpositionsdetektor berührungslos und ohne einen zusätzlichen Permanentmagneten
die Schaltposition des Kolbes 4 detektieren kann. Die angegebenen Schwellwerte sind
als Beispiel zu verstehen und sind von der jeweiligen Konstruktion des Schaltmagneten
und der Magnetfeldstärke des Permanentmagneten abhängig.
[0014] Der Hallsensor 11 kann als Schwellwertschalter ausgebildet sein, der vorteilhafterweise
hierdurch auch bereits die Auswertung der Auswertemittel übernimmt. Hierdurch kann
somit auf gesonderte Auswertemittel verzichtet werden.
[0015] In Figur 3 ist ein Schaltmagnet 12 als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Der Schaltmagnet 12 weist denselben Aufbau wie der Schaltmagnet 1 auf,
wobei zusätzlich ein zweiter Permanentmagnet 13 als Teil des Kolbenpositionsdetektors
an der Seite des Hallsensors 11 am Kolben 4 befestigt ist. Der zweite Permanentmagnet
13 kann zur Beeinflussung der magnetischen Flussdichte am Magnetfeldsensor verwendet
werden. Für einige Magnetfeldsensoren ist ein um den 0-Punkt symmetrisches Signal
vorteilhaft. In diesem Fall wird der zweite Permanentmagnet 13 umgekehrt gepolt wie
der Permanentmagnet 8.
[0016] Es hat sich als vorteilhaft erwiesen für den Permanentmagneten 8 dem Fachmann aus
anderen Fachgebieten bekannte NdFeB-Magnete zu verwenden. Diese NdFeB-Magnete zeichnen
sich durch ihre große Magnetfeldstärke bei relativ geringem Volumen des Permanentmagneten
aus.
[0017] Die Position des Hallsensors 11 unmittelbar neben dem in seiner ersten Schaltposition
verstellten Kolben 4 hat sich aus konstruktiven Überlegungen als vorteilhaft erwiesen.
Auch andere Positionen des Hallsensors 11 im Bereich des magnetischen Kreises oder
des Streufeldes des Magnetkreises wären für die Messung der magnetischen Flussdichte
im magnetischen Kreis möglich.
[0018] Es kann erwähnt werden, dass auch andere Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen könnten.
[0019] Es kann erwähnt werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Kolbenpositionsdetektor auch
drei oder mehr Schaltpositionen des Kolbens detektiert werden könnten. Für jede zu
detektierende Schaltposition müsste ein Schwellwert der magnetischen Flussdichte festgelegt
werden, der der jeweiligen Länge des Luftspaltes zwischen Kolben 4 und Polkern 9 entspricht.
[0020] Es kann erwähnt werden, dass der bistabile Schaltmagnet auch auf jeder Seite des
Kolbens einen Permanentmagneten aufweisen könnte, wobei in diesem Fall die Feder 5
nicht notwendig wäre und jeder der Permanentmagneten den Kolben in einer der zwei
Schaltpositionen halten würde. Weiters können dafür auch Anordnungen mit zwei Spulen
und einen radialen Permanentmagneten zwischen den Spulen eingesetzt werden.
[0021] Gemäß einem in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung
könnte der Schaltmagnet eine mit einem Datenbus verbindbare Ansteuerelektronik aufweisen,
der von dem Datenbus eine Schaltinformation zuführbar ist und die zum Auswerten der
Schaltinformation und zum Abgeben des Schaltstroms an die Erregerspule ausgebildet
ist. Als Datenbusprotokoll hat sich das Protokoll gemäß einem sogenannten LIN-Bus
(Local Interconnected Network) bei Anwendungen im Automobilbereich als vorteilhaft
erwiesen. Im Automobilbereich kann der bistabile Schaltmagnet auch in einem Schaltventil
vorgesehen sein, mit dem beispielsweise die Wasser- oder Ölzufuhr geregelt wird. Hierdurch
ist der Vorteil erhalten, dass eine ebenfalls mit dem LIN-Bus verbundene Steuereinheit
eines Autos über nur eine Datenleitung die Schaltinformation an das bistabile Schaltventil
abgeben kann, wodurch Kosten gespart werden können und eine digitale Verarbeitung
ermöglicht ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass von den Auswertemitteln des
Kolbepositionsdetektors eine Positionsinformation an die Ansteuerelektronik abgegeben
werden kann, die zu bestimmten Zeiten (z.B. alle drei Sekunden) und/oder auf Anfrage
der Steuereinheit des Autos die Positionsinformation über den Datenbus an die Steuereinheit
abgibt. Hierdurch ist die Steuereinheit des Autos immer über die aktuelle Position
des Kolbens des bistabilen Schaltventils informiert, wodurch die Fehlersuche in der
Werkstatt wesentlich vereinfacht ist.
[0022] Es kann erwähnt werden, dass es für die Erfindung unerheblich ist an welcher Position
im magnetischen Kreis der unverstellbar befestigte Permanentmagnet vorgesehen ist.
Dies deshalb, da es für die Funktionsweise des Kolbenpositionsdetektors nur wichtig
ist, dass eine magnetische Flussdichte in dem magnetischen Kreis vorhanden ist, deren
Änderung der Kolbenpositionsdetektor detektieren kann. Hierdurch ist eine große konstruktive
Freiheit bei der Konstruktion des Schaltmagneten gegeben.
[0023] Es kann erwähnt werden, dass der zweite Permanentmagnet 13 die magnetische Flussdichte
des Permanentmagneten 8 abschwächend oder verstärkend gepolt sein kann. Die Polung
als abschwächend hat sich in dem Ausführungsbeispiel als vorteilhaft erwiesen.
1. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) mit einer Erregerspule (10) und einem, gegenüber der
Erregerspule (10) durch einen Schaltstrom in der Erregerspule (10) in eine erste Schaltposition
und eine zweite Schaltposition, verstellbaren Kolben (4) und mit einem Kolbenpositionsdetektor
zur Detektion, ob der Kolben (4) in seine erste oder seine zweite Schaltposition verstellt
ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolbenpositionsdetektor durch zumindest einen eine magnetische Flussdichte im
magnetischen Kreis erzeugenden Permanentmagneten (8; 13) und einen im Bereich des
magnetischen Kreises angeordneten Magnetfeldsensor (11) gebildet ist, die beide im
Bezug auf die Erregerspule (10) unverstellbar befestigt in dem Schaltmagneten (1;
12) vorgesehen sind, und wobei der Kolbenpositionsdetektor Auswertemittel aufweist,
die zur Detektion der Kolbenposition die von dem Magnetfeldsensor (11) gemessene,
von der Schaltposition des Kolbens (4) abhängige magnetische Flussdichte im magnetischen
Kreis auswerten.
2. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (5) vorgesehen ist, die den Kolben (4) in seine erste Schaltposition drückt,
und dass der Permanentmagnet (8), entgegen der Federkraft (FK), den Kolben (4) in
der zweiten Schaltposition hält, wobei der Kolben (4) durch den Schaltstrom, abhängig
von seiner Polarität, in die erste Schaltposition und die zweite Schaltposition verstellbar
ist.
3. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (8) durch einen NdFeB-Magnet gebildet ist.
4. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (11) unmittelbar neben dem in seine erste Schaltposition verstellten
Kolben (4) vorgesehen ist.
5. Bistabiler Schaltmagnet (12) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im magnetischen Kreis, in unmittelbarer Nähe und insbesondere zwischen dem in seine
erste Schaltposition verstellen Kolben (4) und dem Magnetfeldsensor (11) ein zweiter
Permanentmagnet (13) am Kolben (4) und insbesondere im Kolben befestigt vorgesehen
ist.
6. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (11) durch einen Hallsensor gebildet ist, der als linearer Hallsensor
oder als Schwellwertschalter ausgebildet ist.
7. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor zur Detektion der axialen Komponente des magnetischen Flusses
angeordnet ist.
8. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor außerhalb der Achse des Schaltmagneten zur Detektion der axialen
und/oder radialen Komponente des magnetischen Flusses angeordnet ist.
9. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Datenbus verbindbare Ansteuerelektronik vorgesehen ist, der von dem
Datenbus eine Schaltinformation zuführbar ist und die zum Auswerten der Schaltinformation
und zum Abgeben des Schaltstroms an die Erregerspule ausgebildet ist.
10. Bistabiler Schaltmagnet gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus durch einen LIN-Bus gebildet ist.
11. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass von den Auswertemitteln des Kolbepositionsdetektors eine Positionsinformation an
die Ansteuerelektronik abgebbar ist, die zu bestimmten Zeiten und/oder auf Anfrage
zum Abgeben der Positionsinformation über den Datenbus ausgebildet ist.
12. Bistabiles Schaltventil zum Öffnen oder Schießen der Verbindung zwischen einem ersten
Volumen und einem zweiten Volumen, dadurch gekennzeichnet, dass der bistabile Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche vorgesehen
ist und, dass der Kolben (4) mit einem Dichtelement verbunden ist, das in der ersten
oder in der zweiten Schaltposition des Kolbens (4) ein erstes Volumen im Gehäuse des
Schaltventils gegenüber einem zweiten Volumen in dem Gehäuse des Schaltventils abdichtet,
wobei die beiden Volumina in der zweiten bzw. der ersten Schaltposition des Kolbens
(4) miteinander verbunden sind.