Verfahren und Vorrichtung zum Aktivieren einer elektromagnetischen Stelleinrichtung

Abstract

 Die Stelleinrichtung weist ein Stellglied (2) auf, das im passiven Zustand eine durch zwei gegensinnig wirkende Federn (22, 24) gegebene Ruhestellung zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung einnimmt. Mit dem Stellglied (2) ist ein zwischen zwei Elektromagneten (10, 12; 14,16) beweglicher Anker (6) verbunden, der zusammen mit dem Stellglied (2) und den Federn (22, 24) ein schwingfähiges System bildet und in Offenstellung gegen die Kraft der einen Feder (24) von dem einen Elektromagneten (10, 12) und in Schließstellung gegen die Kraft der anderen Feder (22) von dem anderen Elektromagneten (14, 16) angezogen wird. Zur Aktivierung der Stelleinrichtung, ausgehend von der Ruhestellung des Stellgliedes (2), werden die beiden Elektromagnete (10, 12; 14, 16) gegeneinander phasenverschoben mit ungefähr der Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems für eine zum Aufschwingen bis in die Offen- bzw. Schließstellung ausreichende Zeitdauer erregt; anschließend bleibt nur einer der Elektromagnete erregt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aktivieren einer elektromagnetischen Stelleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

[0002] Aus der DE-OS 26 30 512 ist eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung bekannt, welche gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ein Stellglied aufweist, das im passiven Zustand eine durch zwei gegensinnig wirkende Federn gegebene Ruhestellung zwischen einer öffnungs- und einer Schließstellung einnimmt und einen zwischen zwei Elektromagneten beweglichen, mit dem Stellglied verbundenen, magnetisierbaren Anker aufweist, der zusammen mit dem Stellglied und den Federn ein schwingfähiges System bildet und in Offenstellung gegen die Kraft der einen Feder von dem einen Elektromagneten in Anlage an eine an diesem ausgebildete Anlagefläche und in Schließstellung gegen die Kraft der anderen Feder von dem anderen Elektromagneten in Anlage an eine an diesem ausgebildete Anlagefläche bezogen wird. Darüber, wie die Stelleinrichtung aus dem passiven Zustand, in der sich der Anker zwischen den Elektromagneten befindet, in den aktiven Zustand gebracht wird, in der der Anker an einem der Elektromagneten anliegt, finden sich in der DE-OS 26 30 512 keine Angaben. Für eine Aktivierung durch Erregung eines der Elektromagneten sind erhebliche Stromstärken erforderlich, da einerseits der Luftspalt zwischen dem Anker und dem erregten Elektromagneten sehr groß ist und zum anderen die Kraft der zugehörigen Feder überwunden werden muß.

[0003] Um eine gattungsgemäße Stelleinrichtung zu aktivieren, wird in der DE-OS 30 24 109 eine Spanneinrichtung vorgeschlagen, mittels der der Ort der Ruhestellung derart verlegbar ist, daß der mit dem Stellglied verbundene magnetisierbare Anker in Anlage an einen der Elektromagneten kommt, so daß das Stellglied beim Aktivieren der Elektromagneten in Anlage an diesem bleibt, wenn die Spanneinrichtung entlastet wird. Bei in Anlage an einem der Elektromagneten befindlichen Anker ist die elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung aktiviert, so daß sie lediglich durch die Erregung der Elektromagneten in die eine oder die andere Endposition bewegbar ist. Die in der Stelleinrichtung gemäß der DE-OS 30 24 109 enthaltene Spanneinrichtung bedingt einen verhältnismäßig großen baulichen Aufwand und verteuert die Stelleinrichtung wesentlich.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aktivieren einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung anzugeben, das bei hoher Funktionssicherheit einen einfachen Aufbau der Stelleinrichtung ermöglicht. Weiter soll die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens angeben.

[0005] Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird das schwingfähige System aus dem Stellglied mit dem daran befestigten Anker und den beiden gegensinnig wirkenden Federn soweit aufgeschaukelt, daß der Anker zumindest so nahe an die Elektromagneten gerät, daß er dort haltbar ist, wenn die Erregung eines der Elektromagneten anhält. Zum Aktivieren, bei dem eine der Federn gespannt wird, also Energie in das System eingespeist wird, sind keine hohen Stromstärken erforderlich, da die Energieeinspeisung in mehreren Zyklen erfolgt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine funktionssichere und mit nur geringem baulichen Aufwand in der Stelleinrichtung verbundene Aktivierung erzielt.

[0006] Gemäß Anspruch 2 wird sichergestellt, daß während des Aktivierungsvorgangs die Resonanzfrequenz, bei der die wirksamste Anregung erfolgt, erreicht wird.

[0007] Durch die im Anspruch 3 beschriebene allmähliche Verminderung der Erregungsfrequenz nach dem Aufschwingen gelangt das Stellglied abwechselnd in die eine oder die andere Endlage, ohne daß die Gefahr besteht, daß es in seine passive Stellung zurückkehrt.

[0008] Der Anspruch 4 ist auf eine besonders bei symmetrischer Ausbildung der Stelleinrichtung, d.h. weitgehend gleiche Ausbildung der Elektromagneten, vorteilhafte Durchführung des Verfahrens gerichtet, da die Schwingungsanregung besonders intensiv ist, wenn jeweils während derjenigen Halbschwingung, während der sich der Anker in Richtung auf einen der Elektromagnete bewegt, von diesem ein den Anker anziehenden Kraftfluß ausgeht.

[0009] Der Anspruch 5 kennzeichnet den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

[0010] Der Anspruch 6 ist auf eine Ausführungsform einer Schaltung zum Erzeugen von Rechteckspannungssignalen gerichtet.

[0011] Mit den Merkmalen des Anspruchs 7 wird erreicht, daß nach dem Aktivieren der Stelleinrichtung in einfacher Weise auf den anschließenden gesteuerten Betrieb der Stelleinrichtung umgeschaltet werden kann.

[0012] Bei einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 8 ist sichergestellt, daß die Erregung des schwingungsfähigen Systems erst dann beendet wird, wenn das Ventilglied eine seiner beiden Endpositionen erreicht hat.

[0013] Der Anspruch 9 kennzeichnet eine besonders einfache Ausführungsform eines Sensors zum Erkennen einer Endlage des Ventilgliedes.

[0014] Zum Stand der Technik sei noch auf die DE-OS 28 15 849 verwiesen, aus der eine elektromagnetische Ventilsteuerung für Kolbenmaschinen bekannt ist. Bei dieser Ventilsteuerung ist ein einziger Elektromagnet vorgesehen, welcher im erregten Zustand einen mit dem Ventilglied verbundenen Anker anzieht und das Ventil gegen die Kraft einer Schließfeder in Offenstellung bewegt. Zur Erregung des Elektromagneten wird auch dort ein Rechteckspannungssignal erzeugt. Eine Eigenart von Ventilsteuerungen gemäß der DE-OS 28 15 849 besteht darin, daß sie verhältnismäßig hohe Stromstärken und viel elektrische Energie benötigen, da die gesamte, zum öffnen des Ventils erforderliche Energie elektrisch aufgebracht werden muß.

[0015] Elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtungen gemäß der Erfindung sind vielseitig verwendbar, beispielsweise für oszillierend bewegbare Steuerelemente an Verdrängungsmaschinen, insbesondere für die Gaswechselventrle von Brennkraftmaschinen.

[0016] Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten dargestellt. Es zeigen:

Fig.l eine elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtung mit einem Blockschaltbild einer zugehörigen Schaltung;

_Fig.2 in der Schaltung gemäß Fig.1 auftretende Signale und

_Fig.3 ein Blockschaltbild eines in Fig.1 enthaltenen Startgliedes.

[0017] Fig.l zeigt als Stellglied ein Tellerventil 2, an dessen Schaft 4 ein Anker 6 befestigt ist. Der Schaft 4 ist innerhalb eines Gehäuses 8 beweglich geführt und durchragt den im Querschnitt insgesamt U-förmigen Kern 10 eines Elektromagneten, dessen Wicklung mit 12 bezeichnet ist. Im Gehäuse 8 befindet sich gegenüber dem Kern 10 ein Kern 14 eines zweiten Elektromagneten mit einer Wicklung 16. Die beiden Elektromagnete sind innerhalb einer öffnung des Gehäuses 8 angeordnet, wobei ihr gegenseitiger Abstand durch eine Buchse 18 gegeben ist und sie mittels eines an dem Gehäuse 8 festgeschraubten Deckels 20 gehalten werden. Zwischen dem Anker 6 und jedem der beiden Kerne 14 und 10 ist eine Schraubenfeder 22 bzw. 24 angeordnet. Die beiden Schraubenfedern 22 und 24 wirken einander entgegen und halten den Anker 6 in der dargestellten Mittelstellung zwischen den Stirnflächen der beiden Kerne 10 und 14.

[0018] Die Schraubenfedern 22 und 24 bilden zusammen mit dem Anker 6 und dem Tellerventil 2 ein schwingungsfähiges System, dessen Eigenfrequenz größer ist als die maximal zum Betätigen des Tellerventils vorgesehene Betriebsfrequenz.

[0019] Zur Ansteuerung der Wicklungen 12 und 16 ist eine Endstufe 26 vorgesehen, die über einen Umschalter 28 mit einem Spannungs-/Frequenzwandler 30 und mit einer Steuerschaltung 32 verbunden ist.

[0020] Dem Spannungs-/Frequenzwandler 30 ist ein Startglied 34 vorgeschaltet, das zusätzlich mit dem Umschalter 28 verbunden ist.

[0021] Gestrichelt eingezeichnet ist eine Leitung 36, welche einen am Kern 14 angebrachten Sensor 38 über eine Auswerteschaltung 40 mit dem Startglied 34 verbindet.

[0022] Mit Ausnahme des Startgliedes 34, dessen Aufbau weiter unten erläutert wird, und der Steuerschaltung 32, die nicht unmittelbar zur Erfindung gehört, sind die genannten Schaltungsbausteine in ihrem Aufbau an sich bekannt und werden daher nicht näher erläutert.

[0023] Die Funktion der beschriebenen Schaltung wird im folgenden anhand Fig.2 erläutert.

[0024] Bei Betätigen einer Starttaste erzeugt das Startglied 34 an seinem unmittelbar mit dem Umschalter 28 verbundenen Ausgang ein Rechtecksignal gemäß Teil a) der Fig.2. An seinem mit dem Spannungs-/Frequenzwandler 30 verbundenen Ausgang erzeugt das Startglied 34 eine bestimmte Spannung, die langsam abnimmt.

[0025] An seinem mit dem Umschalter 28 verbundenen Ausgang erzeugt der Spannungs-/Frequenzwandler 30 ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50 %, dessen Frequenz entsprechend der Spannung gemäß b) zunächst größer ist als die Resonanzfrequenz des Ventils und die entsprechend der Abnahme der Spannung gemäß b) langsam bis auf die Re_- sonanzfrequenz abnimmt. Die Frequenzänderung des Rechtecksignals gemäß c) ist so langsam, daß das Ventil bei Erreichen der Resonanzfrequenz genügend lange erregt wird, so daß der Anker 6 bis in abwechselnde Anlage an die Kerne 10 und 14 schwingt. Diese Anlage wird vom Sensor 38 erfaßt, so daß die Auswerteschaltung 40 ein Signal d) an das Startglied 34 abgibt, woraufhin die dem Spannungs-/Frequenzwandler 30 zugeführte Spannung rascher auf Null abnimmt und die Frequenz des Rechtecksignals gemäß c) entsprechend auf Null abnimmt, so daß im Endzustand eine der beiden Wicklungen 12 oder 16 stromdurchflossen bleibt.

[0026] Nach Erreichen einer Endlage bzw. ab dem Auftreten des Signals gemäß d) folgt der Anker 6 und damit das Ventil den Erregungen der Elektromagneten, so daß sich das Ventil jeweils in einer wohl-definierten Stellung befindet und aktiviert ist.

[0027] Nach Erreichen der Spannung Null geht mit geringer zeitlicher Verzögerung die Rechteckspannung gemäß a) auf Null zurück, woraufhin der Umschalter 28 umschaltet und entsprechend dem Ausgangssignal der Steuerschaltung 32 eine der Wicklungen 12 bzw. 16 erregt und die andere nicht erregt ist.

[0028] Es sind zahlreiche Abänderungen der beschriebenen Vorrichtung möglich, von denen einige im folgenden erläutert sind:

Der Anker 6 kann aus permanent-magnetischem oder aus ferromagnetischem Material sein. Im ersteren Fall ist die Polarität der Erregung der Elektromagnete für die Kraft von Bedeutung, so daß der Endstufe 26 eine nicht dargestellte Steuerstufe vorgeschaltet werden kann, mit der sich die Erregung der Elektromagnete derart steuern läßt, daß ausgehend von der Anlage des Ankers 6 an einen der Elektromagneten dieser mit einer den Anker abstoßenden Polarität und der andere Elektromagnet mit einer den Anker anziehenden Polarität erregt wird. Auch bei aus ferromagnetischem Material bestehendem Anker 6 kann es vorteilhaft sein, zumindest während des Anschwingens zusätzlichen Schaltungsaufwand zu treiben, damit tatsächlich die von den Elektromagneten ausgehenden Kraftflüsse um 180° gegeneinander phasenverschoben sind und nicht lediglich die den Wicklungen zugeführten Ströme.

[0029] Bevorzugt befindet sich der Anker 6 in den Extremstellungen des Ventils in unmittelbarer Anlage an dem Kern 10 bzw. 14. Da jedoch das Tellerventil 2 in Schließstellung sich in dichtender Anlage an einem nicht dargestellten Ventilsitz befindet, sind Ausführungsformen möglich, bei denen in Schließstellung ein kleiner Spalt zwischen Anker 6 und Kern 14 verbleibt. Dieser Spalt vergrößert allerdings den zum Halten des Ventils in Schließstellung erforderlichen Strom durch die Wicklung 16 stark.

[0030] Der Sensor 36, der im dargestellten Beispiel ein auf mechanische Schwingungen im Hörfrequenzbereich oder darüber ansprechendes Bauelement ist, kann auch eine Induktionsspule sein, welche eine der Zuleitungen zu einer der Wicklungen 12 oder 16 umfaßt. Bei Anschlag des Ankers 6 an den zugehörigen Kern ändert sich der Stromfluß durch die Wicklung plötzlich, was in der Induktionsspule ein Spannungssignal hervorruft, das in der Auswerteschaltung 40 auswertbar ist.

[0031] Im folgenden wird anhand Fig.3 ein Ausführungsbeispiel des Startgliedes 34 erläutert:

Eine Starttaste 42 ist mit dem Setz-Eingang eines Flip-Flops 44 verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Integrators 46 verbunden ist. Der Ausgang des Integrators 46 liegt an einem Eingang eines Komparators 48 und über eine Leitung 50 an dem Spannungs-/Frequenzwandler 30. Der Ausgang des Komparators 48 ist über eine Leitung 52 mit dem Rücksetz-Eingang des Flip-Flops 44 und über eine Leitung 54 mit dem Umschalter 28 verbunden. Im Betrieb entsteht am Ausgang des Integrators 46 nach Betätigen der Starttaste 42 eine von einem am Integrator voreinstellbaren Wert aus abfallende Spannung. Sobald diese Spannung auf einen bestimmten am Komparator 48 einstellbaren Wert, beispielsweise Null, abgefallen ist, wird über die Leitung 54 der Umschalter 28 umgeschaltet und über die Leitung 52 das Flip-Flop 44 rückgesetzt.

[0032] Bei Vorhandensein eines Sensors 38 mit nachgeschalteter Auswerteschaltung 40 ist diese mit dem Setz-Eingang eines weiteren Flip-Flops 56 verbunden, dessen Rücksetz-Eingang mit dem Ausgang des Komparators 48 verbunden ist und dessen Ausgang an einem weiteren Eingang des Integrators 46 liegt, über den die Zeitkonstante des Integrators veränderbar ist. Sobald am Setz-Eingang des Flip-Flops 56 ein Signal liegt, fällt die Spannung am Ausgang des Integrators 46, wie gestrichelt angedeutet, rascher ab.

[0033] Wenn der Spannungs-/Frequenzwandler 30 so ausgelegt ist, daß die Frequenz Null bereits bei kleiner Spannung erreicht wird und die Referenzspannung des Komparators 48 unter diesem Wert liegt, erfolgt die Umschaltung des Umschalters 28 gegenüber dem Erreichen der Frequenz Null mit geringer Verzögerung.

[0034] Die zeitliche Änderung der vom Integrator 46 erzeugten Spannung kann in unterschiedlichster Weise gewählt werden. Beispielsweise kann die Spannung mit Hilfe eines Zeitgliedes zunächst auf konstantem, der Resonanzfrequenz des schwingfähigen Systems entsprechenden Wert gehalten werden, bevor sie abnimmt.

Ansprüche

1. Verfahren zum Aktivieren einer elektromagnetisch arbeitenden Stelleinrichtung mit

- einem Stellglied, das im passiven Zustand eine durch zwei gegensinnig wirkende Federn gegebene Ruhestellung zwischen einer öffnungs- und einer Schließstellung einnimmt,

und einem zwischen zwei Elektromagneten beweglichen, mit dem Stellglied verbundenen Anker, der zusammen mit dem Stellglied und den Federn ein schwingfähiges System bildet und in Offen- Stellung gegen die Kraft der einen Feder von dem einen Elektromagneten und in Schließstellung gegen die Kraft der anderen Feder von dem anderen Elektromagneten angezogen wird,
dadurch gekennzeichnet , daß
die beiden Elektromagnete gegeneinander phasenverschoben für eine zum Aufschwingen des schwingfähigen Systems bis in die Offen- oder Schließstellung ausreichende Zeitdauer erregt werden und anschließend nur einer der Elektromagnete erregt bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß
die Frequenz der Erregung der Elektromagnete bei Beginn des Aufschwingens größer ist als die Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems, und das Aufschwingen dann zumindest annähernd mit der Eigenfrequenz des schwingfähigen Systems fortgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet , daß
die Frequenz der Erregung der Elektromagnete nach dem Aufschwingen kontinuierlich auf Null vermindert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet ,
daß das Tastverhältnis der Erregung der Elektromagnete 50 % und die Phasenverschiebung 180° beträgt.

5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche l bis 4,
gekennzeichnet durch
eine Startschaltung zum Erzeugen eines Rechteckwechselspannungssignals variabler Frequenz und eine Endstufenschaltung (26), welche die Elektromagnete entsprechend dem Rechteckwechselspannungssignal aktiviert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Startschaltung ein in seiner Amplitude veränderbares Gleichspannungssignal erzeugt und einen Spannungs_-/ Frequenzwandler (30) enthält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Endstufe (26) ein Umschalter (28) vorgechaltet ist, welcher von der Startschaltung angesteuert die Endstufe bei Erreichen der Frequenz Null mit einer Steuerschaltung (32) verbindet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
gekennzeichnet durch
einen Sensor (38) zum Erkennen der Stellung des Stellglieds, welcher Sensor mit der Startschaltung verbunden ist und deren Ausgangssignal bei Erreichen der Offen-oder Schließstellung der Stelleinrichtung im Sinne einer Frequenzminderung beeinflußt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Sensor (38) durch eine auf Änderungen des Stroms zu einem der Elektromagnete ansprechende Induktionsspule gebildet ist.

Zeichnung