Stellvorrichtung, Ventileinrichtung und Betriebsverfahren

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung (5) zum Verstellen eines Stellglieds (4) zwischen zwei Endstellungen, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung bei einer Brennkraftmaschine, mit einem Anker (13), der um eine Schwenkachse (7) zwischen zwei Endstellungen in einem Stator (14) schwenkverstellbar gelagert ist und der drehfest mit dem Stellglied (4) verbunden oder verbindbar ist, mit mindestens einem am oder im Stator (14) angeordneten Elektromagneten (10) zum Erzeugen elektromagnetischer Anziehungskräfte, mit mindestens einer ersten statorseitigen Anlagefläche (18), an welcher eine erste Kontaktfläche (20) des Ankers (13) in der ersten Endstellung des Ankers (13) anliegt, und mit zumindest einer zweiten statorseitigen Anlagefläche (19), an welcher eine zweite Kontaktfläche (21) des Ankers (13) in der zweiten Endstellung des Ankers (13) anliegt.
Eine erhöhte Zuverlässigkeit lässt sich für den Betrieb der Stellvorrichtung (5) erreichen durch eine Sensorik (12) zum Messen wenigstens eines von der Ankerbewegung und/oder Ankerposition abhängigen Parameters eines vom wenigstens einen Elektromagneten (10) erzeugten Magnetfelds während des Betriebs der Stellvorrichtung (5).

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung zum Verstellen eines Stellglieds zwischen zwei Endstellungen, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung bei einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einer solchen Stelleinrichtung ausgestattete Ventileinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Stellvorrichtung.

[0002] Bei der sogenannten "Impulsaufladung" von Brennkraftmaschinen können schnellschaltende Ventile zum Einsatz kommen. Ein schnellschaltendes Ventil kann hierzu in einer einem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine Frischgas zuführenden Frischgasleitung stromauf eines Einlassventils angeordnet sein. Durch die Ausnutzung strömungsdynamischer Effekte lassen sich in der jeweiligen Frischgasleitung Druckwellen erzeugen, mit deren Hilfe die Beladung des jeweiligen Zylinders verbessert werden kann. Für derartige schnellschaltende Ventile sind außerdem andere Anwendungsgebiete bekannt. Beispielsweise lassen sie sich dazu verwenden, eine Abgasrückführrate zu steuern. Hierzu kann das jeweilige schnellschaltende Ventil beispielsweise in einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine angeordnet sein, und zwar stromab einer Entnahmestelle für rückzuführendes Abgas. Durch kurzzeitiges, getaktetes Schließen des Ventils können Druckimpulse in der Abgasleitung dazu verwendet werden, die Rückführung von Abgas zu begünstigen. Hierzu sind extrem kurze Schaltzeiten für das Umschalten von einer einem Schließzustand zugeordneten Endstellung und einer einem Offenzustand zugeordneten Endstellung erforderlich. Die Umschaltzeiten derartiger schnellschaltender Ventile liegen im Bereich der Schaltzeiten von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine. Beispielsweise kann ein schnellschaltendes Ventil während einer Öffnungsphase eines Einlassventils zumindest einmal öffnen und schließen. Die Schaltzeiten können dabei kleiner als 10 ms und insbesondere im Bereich zwischen 2 ms und 5 ms liegen. Ebenso kann für die Steuerung der Abgasrückführrate ein derartiges Ventil in einer gemeinsamen Frischgasleitung angeordnet sein, von der aus das Frischgas auf mehrere Zylinder der Brennkraftmaschine aufgeteilt wird. Dabei kann das Ventil stromauf oder stromab einer Einleitstelle für rückzuführendes Abgas in dieser gemeinsamen Frischgasleitung angeordnet sein. Im Betrieb der Brennkraftmaschine können im Frischgasstrom Druckwellen entstehen, die mit Hilfe des frischgasseitig angeordneten, schnellschaltenden Ventils verstärkt und sogar erzeugt werden können. Hierdurch kann der Druck an der Einleitstelle beeinflusst werden, was sich zur Steuerung der Abgasrückführrate nutzen lässt.

[0003] Ein derartiges schnellschaltendes Ventil benötigt eine entsprechende, schnellschaltende Stellvorrichtung (Stellantrieb) zur Betätigung des Ventils oder allgemein zum Verstellen eines Stellglieds zwischen zwei Endstellungen. Eine derartige Stellvorrichtung umfasst beispielsweise einen Anker, der um eine Schwenkachse zwischen zwei Endstellungen in einem Stator schwenkverstellbar gelagert ist und der drehfest mit dem jeweiligen Stellglied, insbesondere mit dem Ventilglied, verbunden oder verbindbar ist. Ferner umfasst die Stellvorrichtung zumindest einen am oder im Stator angeordneten Elektromagneten, mit dessen Hilfe elektromagnetische Anziehungskräfte gezielt erzeugt werden können. Ferner ist zumindest eine erste statorseitige Anlagefläche vorgesehen, an welcher eine erste Kontaktfläche des Ankers in der ersten Endstellung des Ankers anliegt. Außerdem ist zumindest eine zweite statorseitige Anlagefläche vorgesehen, an welcher eine zweite Kontaktfläche des Ankers in der zweiten Endstellung des Ankers anliegt. Zweckmäßig kann außerdem eine Rückstelleinrichtung vorgesehen sein, die den Anker in eine zwischen den Endstellungen liegende Ruhestellung vorspannt, zum Beispiel in Form einer Torsionsfeder. Eine derartige Stellvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 101 40 706 A1 bekannt.

[0004] Der jeweilige Elektromagnet dient dazu, den Anker in den jeweiligen Endstellungen an der jeweiligen Anlagefläche, die einen die Endstellung definierenden Anschlag bildet, zu halten. Der Anker kann über eine Welle mit dem jeweiligen Stellglied, insbesondere mit einem Ventilglied eines schnellschaltenden Ventils antriebsgekoppelt werden. Die Endstellungen des Ankers lassen sich daher dem Offenzustand und dem Schließzustand des Ventilglieds zuordnen. Wenn der jeweilige Elektromagnet den Anker in der einen Endstellung hält, ist die Rückstelleinrichtung, bei der es sich bevorzugt um eine Federeinrichtung, insbesondere eine Torsionsfeder, handelt, gespannt. Beim Freigeben des Ankers aus der einen Endstellung treibt die Rückstellkraft der Federeinrichtung den Anker in Richtung der Ruhestellung an. Dabei wird die in der Federeinrichtung gespeicherte potentielle Energie in kinetische Energie des Ankers umgewandelt. Mit anderen Worten, der Anker wird beschleunigt. Beim Durchfahren der Ruhestellung ist die potentielle Energie der Rückstelleinrichtung vollständig in kinetische Energie des Ankers umgesetzt. Dementsprechend bewegt sich der Anker weiter in Richtung der anderen Endstellung. Hierbei wird die kinetische Energie des Ankers wieder in potentielle Energie der Rückstelleinrichtung umgewandelt, wodurch der Anker abgebremst wird. Um den Anker an dem der anderen Endstellung zugeordneten Anschlag, also an der anderen Anlagefläche fangen zu können, muss der jeweilige, der fangenden Anlagefläche zugeordnete Elektromagnet rechtzeitig bestromt werden. Mit Hilfe des fangenden Elektromagneten müssen zum einen die Energieumwandlungsverluste, wie zum Beispiel Wärme, ausgeglichen werden. Zum anderen muss mit Hilfe des fangenden Magneten sichergestellt werden, dass der Anker an der fangenden Anlagefläche verbleibt. Ferner soll der Anker am fangenden Anschlag nicht prellen. Außerdem soll die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers am fangenden Anschlag möglichst klein sein, um den Verschleiß und die Geräuschentwicklung gering zu halten. Hierdurch gestaltet sich die Steuerung bzw. Regelung des jeweiligen Elektromagneten extrem komplex, da widersprüchliche Anforderungen realisiert werden müssen. Des Weiteren sind die Zeiträume, die für den Steuerungs- bzw. Regelungsvorgang zur Verfügung stehen, extrem kurz, was besagte Vorgänge zusätzlich erschwert. Hinzu kommt, dass sich die Randbedingungen der Stellvorrichtung im Betrieb, insbesondere in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine, verändern können. Beispielsweise kann sich die Temperatur der Stellvorrichtung verändern. Die Rückstelleinrichtung kann eine temperaturabhängige Kennlinie aufweisen, wodurch sich von der temperaturabhängige Rückstellkräfte und somit temperaturabhängige Ankergeschwindigkeiten ergeben. Ferner kann abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine der Strömungswiderstand, gegen den das jeweilige Ventilglied mit Hilfe des Ankers bewegt werden muss, variieren. Somit müssen von der Stellvorrichtung variierende Stellkräfte realisierbar sein.

[0005] Um die elektrische Energieversorgung des jeweiligen Elektromagneten, also die Stromzufuhr und Spannungsversorgung des jeweiligen Elektromagneten möglichst genau steuern bzw. regeln zu können, ist es von erhöhter Bedeutung, die Position des Ankers innerhalb seiner Bewegungsbahn möglichst genau zu kennen. Beispielsweise ist es wichtig, den jeweiligen Elektromagneten erst dann zum Erzeugen anziehender Magnetkräfte anzusteuern, wenn der Anker beim Wechseln der Endstellungen seine Ruhestellung überschritten hat. Um die Position des Ankers zu ermitteln, ist es grundsätzlich möglich, den Anker zum Beispiel über eine drehfest mit dem Anker verbundene Welle mit einem Drehsensor zu koppeln. Drehsensoren, die bei den hier erforderlichen kurzen Schaltzeiten hinreichend genaue Messungen ermöglichen, sind jedoch vergleichsweise teuer. Derartige Drehsensoren können außerdem durch die starken Magnetfelder des Ankers gestört werden. Somit sind sie für vorliegende Anwendung ungeeignet. Des Weiteren ist es grundsätzlich möglich, bei einer Spule des fangenden Elektromagneten die durch die Ankerbewegung induzierte Spannung zu messen, um daraus auf die Position des Ankers zu schließen. Die Ankerbewegung verändert das Magnetfeld des fangenden Elektromagneten. Diese Magnetfeldänderung führt zu einer Induktionsspannung an der Spule des fangenden Elektromagneten, so dass daraus die Ankerposition herleitbar ist. Die Induktion erfolgt jedoch stets mit einer gewissen Verzögerung oder Dämpfung, so dass die exakte Ankerposition nur geschätzt werden kann. Außerdem ist die Rechenleistung für eine derartige Lagebestimmung anhand der Induktionsspannung vergleichsweise hoch, so dass eine aufwändige, leistungsstarke und somit teure Elektronik erforderlich ist.

[0006] Des Weiteren ist für die Stellvorrichtung die Kenntnis, welche der beiden Endstellungen der Anker aktuell einnimmt, von erhöhter Bedeutung, um die Steuerung bzw. Regelung des fangenden Elektromagneten beim Wechseln der Endstellungen korrekt durchführen zu können. Hierzu ist es möglich, mit Hilfe einer entsprechenden Startprozedur ausgehend von der Ruhestellung den Anker in eine vorbestimmte Endstellung zu bringen und von da aus mit Hilfe eines Zählers jeden Schaltvorgang zu zählen, so dass die aktuelle Endlage des Ankers stets bekannt ist, falls die Schaltvorgänge immer ordnungsgemäß funktionieren. Zum einen ist das ordnungsgemäße Umschalten nicht immer gewährleistet. Beispielsweise kann bei ungünstigen Strömungsverhältnissen der Fall eintreten, dass der Anker die andere Endstellung nicht erreicht und aufgrund der vorgespannten Rückstellfeder in die ursprüngliche Endstellung zurückspringt und dort gehalten wird. Eine derartige Fehlfunktion wird vom Zähler nicht erkannt. Zum anderen benötigt auch ein derartiger Zähler Rechenleistung, was die Elektronik belastet.

[0007] Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art bzw. für eine damit ausgestattete Ventileinrichtung bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie die Steuerung bzw. Regelung der Energieversorgung des jeweiligen Elektromagneten vereinfacht, indem sie insbesondere die Kenntnis der aktuellen Ankerposition mit erhöhter Zuverlässigkeit bzw. genauer bereitstellt.

[0008] Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0009] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in die Stellvorrichtung eine Sensorik zu integrieren, mit deren Hilfe zumindest ein Parameter eines Magnetfelds während des Betriebs der Stellvorrichtung gemessen werden kann, wobei dieses Magnetfeld vom wenigstens einen Elektromagneten der Stellvorrichtung generiert wird und wobei von diesem Magnetfeld zumindest ein solcher Parameter gemessen wird, der von der Ankerbewegung bzw. von der Ankerposition abhängt. Mit anderen Worten, die Stellvorrichtung wird mit einer zusätzlichen Sensorik ausgestattet, die eine direkte Messung der Magnetfeldänderung aufgrund der Ankerbewegung ermöglicht. Die Sensorik arbeitet somit berührungslos. Da die separate Sensorik nicht auf die Induktionsspannung der Spule des Elektromagneten zurückgreifen muss, reduziert sich der Rechenaufwand und kann zu einer erhöhten Präzision der Lagebestimmung für den Anker führen. Außerdem kommt es zu keiner Überlagerung mit dem eingeprägten Strom an den Elektromagneten.

[0010] Mit Hilfe der Sensorik kann eine Steuereinrichtung beispielsweise die tatsächliche Endstellung des Ankers identifizieren, die der Anker aktuell einnimmt bzw. in die der Anker aktuell einschwenkt. Hierdurch kann auf einen Zähler verzichtet werden, wodurch Rechenleistung eines Prozessors der Steuereinrichtung freigesetzt wird.

[0011] Zusätzlich oder alternativ kann eine solche, zur Betätigung des wenigstens einen Elektromagneten vorgesehene Steuereinrichtung die mit Hilfe der Sensorik ermittelten Messsignale so auswerten, dass damit die gewünschte Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten durchführbar ist. Da bei der hier vorgestellten Stellvorrichtung die Ankerposition nicht aufwändig anhand der Induktionsspannung der Spule des Elektromagneten ermittelt werden muss, steht auch hier dem Prozessor der Steuereinrichtung mehr Rechenleistung zur Verfügung. Gleichzeitig entfällt die Trägheit der Spule des Elektromagneten, so dass die Position des Ankers mit erhöhter Genauigkeit ermittelt werden kann. Die Regelung der Energieversorgung des (fangenden) Elektromagneten kann dadurch genauer durchgeführt werden. Die erhöhte Präzision der Regelung kann zur Reduzierung des Stromverbrauchs der Stellvorrichtung sowie zur Verbesserung der Akustik im Betrieb, insbesondere zur Reduzierung von Störgeräuschen, genutzt werden.

[0012] Optional kann vorgesehen sein, die von den Messsignalen der Sensorik abhängige Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten nach einer vorbestimmten Regelungszeit zu beenden, um den wenigstens einen Elektromagneten anschließend mit einer konstanten Spannung zu versorgen. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten zur Optimierung der Schaltvorgänge. Beispielsweise kann durch Überwachen der erzielbaren Auftreffgeschwindigkeit die Regelungszeit adaptiert werden, um so das Schaltverhalten der Stellvorrichtung hinsichtlich einer minimalen Geräuschentwicklung zu optimieren.

[0013] Die jeweilige Sensorik kann zumindest einen Streuflusssensor aufweisen. Ein derartiger Streuflusssensor lässt sich besonders einfach und insbesondere ohne wesentliche konstruktive Änderung der Anker-Stator-Konfiguration realisieren. Derartige Streuflusssensoren lassen sich bevorzugt zur Identifizierung der jeweiligen Endposition des Ankers nutzen, können jedoch grundsätzlich auch zur Ermittlung der Ankerposition zwischen den Endstellungen und somit zur Stromregelung des jeweiligen Elektromagneten verwendet werden.

[0014] Zusätzlich oder alternativ kann die Sensorik zumindest einen Nutzflusssensor aufweisen, der erheblich genauere Messwerte liefert, wodurch die Ermittlung der aktuellen Ankerposition während der Ankerbewegung mit einer erhöhten Genauigkeit durchführbar ist. Gleichzeitig eignet sich ein derartiger Nutzflusssensor auch zur Identifizierung der aktuellen Ankerendstellung.

[0015] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

[0016] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0017] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

[0018] Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1

eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Ventileinrichtung mit einer Stellvorrichtung,

Fig. 2

eine stark vereinfachte, perspektivische Ansicht einer Stellvorrichtung,

Fig. 3

Diagramme zur Veranschaulichung einer Seitenerkennung bei der Stellvorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 4

Diagramme zur Veranschaulichung einer Stromregelung bei der Stellvorrichtung gemäß Fig. 2,

Fig. 5

eine perspektivische Ansicht der Stellvorrichtung wie in Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,

Fig. 6

Diagramme zur Veranschaulichung einer Stromregelung und Seitenerkennung bei der Stellvorrichtung gemäß Fig. 5,

Fig. 7

Diagramme wie in Fig. 6, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Stromregelung,

Fig. 8

Diagramme wie in Fig. 4, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform der Stromregelung.

[0019] Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Ventileinrichtung 1, mit deren Hilfe eine Gasströmung 2 in einem Gaspfad 3 beeinflusst werden kann, ein Ventilglied 4 und eine Stellvorrichtung 5. Das Ventilglied 4 dient zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts 6 des Gaspfads 3 und ist hierzu um eine Schwenkachse 7 zwischen zwei Endstellungen schwenkverstellbar angeordnet. Die Stellvorrichtung 5 dient zum Verstellen des Ventilglieds 4 zwischen den Endstellungen. Zum Betätigen der Stellvorrichtung 5 ist eine Steuereinrichtung 8 vorgesehen, die über wenigstens eine Steuerleitung 9 mit wenigstens einem Elektromagneten 10 der Stellvorrichtung 5 verbunden ist. Ferner ist die Steuereinrichtung 8 über zumindest eine Signalleitung 11 mit einer Sensorik 12 der Stellvorrichtung 5 gekoppelt. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 8 die Elektromagnete 10 in Abhängigkeit von Messsignalen der Sensorik 12 ansteuern. Im Beispiel der Fig. 1 ist außerdem wenigstens ein Klopfsensor 98 vorgesehen, der auf geeignete Weise, insbesondere über eine weitere Signalleitung 11 mit der Steuereinrichtung 8 verbunden sein kann. Der jeweilige Klopfsensor 98 dient zur Detektion von Klopfgeräuschen und kann hierzu insbesondere an der Stellvorrichtung 5 angeordnet sein. Da sich die Klopfgeräusche als Körperschall relativ weit ausbreiten, kann der Klopfsensor 98 auch an einer anderen Stelle angeordnet sein. Insbesondere kann es sich beim Klopfsensor 98 um einen solchen Klopfsensor 98 handeln, der bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Dieselmotor, ohnehin zur Überwachung der Verbrennungsvorgänge vorhanden sein kann.

[0020] Entsprechend den Fig. 2 und 5 umfasst eine derartige Stellvorrichtung 5, mit deren Hilfe ein Stellglied, zum Beispiel das Ventilglied 4, zwischen zwei Endstellungen verschwenkbar ist, einen Anker 13, der im jeweiligen Anwendungsfall drehfest mit dem jeweiligen Stellglied 4 verbunden ist. Der Anker 13 ist um die Schwenkachse 7 zwischen zwei Endstellungen in einem Stator 14 der Stellvorrichtung 5 schwenkverstellbar gelagert. In den Fig. 2 und 5 ist dabei jeweils ein Ruhezustand gezeigt, in dem der Anker 13 eine Ruhestellung oder Neutralstellung einnimmt, die, insbesondere mittig, zwischen den beiden Endstellungen liegt.

[0021] Die Stellvorrichtung 5 weist - wie bereits zu Fig. 1 erwähnt - zumindest einen Elektromagneten 10 auf, mit dessen Hilfe elektromagnetische Anziehungskräfte erzeugt werden können. Im gezeigten Beispiel sind genau vier derartige Elektromagnete 10 vorgesehen, die parallel wirken und z.B. bezüglich der Schwenkachse 7 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sein können. Der jeweilige Elektromagnet 10 ist im Stator 14 angeordnet und umfasst jeweils eine Arbeitsspule 15, die einen Kern 16 umgreift. Der jeweilige Kern 16 ist hier bereits ein Bestandteil des Stators 14. Der Stator 14 umfasst des Weiteren ein Joch 17, das die einzelnen Kerne 16 miteinander verbindet. Gleichzeitig bildet das Joch 17 einen Träger für die Arbeitsspulen 15.

[0022] Jedem Elektromagnet 10 sind eine erste statorseitige Anlagefläche 18 und eine zweite statorseitige Anlagefläche 19 zugeordnet. Die beiden Anlageflächen 18, 19 sind dabei am Kern 16 des jeweiligen Elektromagneten 10 ausgebildet, also hier am Stator 14. Der Anker 13 weist für jeden Elektromagneten 10 eine erste Kontaktfläche 20 und eine zweite Kontaktfläche 21 auf. In der ersten Endstellung des Ankers 13 liegt er mit seiner ersten Kontaktfläche 20 an der ersten Anlagefläche 18 an. In der zweiten Endstellung des Ankers 13 liegt er mit seiner zweiten Kontaktfläche 21 an der zweiten Anlagefläche 19 an. Im Beispiel sind entsprechend der hier vorgesehenen vier Elektromagnete 10 statorseitig vier erste Anlageflächen 18 und vier zweite Anlageflächen 19 vorgesehen, die mit ankerseitigen vier ersten Kontaktflächen 20 und vier zweiten Kontaktflächen 21 zusammenwirken. Es ist klar, dass bei einer anderen Bauweise auch eine andere Anzahl an Elektromagneten 10, Anlageflächen 18, 19 und Kontaktflächen 20, 21 vorgesehen sein kann.

[0023] Des Weiteren besitzt die jeweilige Stellvorrichtung 5 eine hier nicht dargestellte Rückstelleinrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie den Anker 13 aus jeder der beiden Endstellungen in eine dazwischen liegende Neutralstellung bzw. Ruhestellung vorspannt. Beispielsweise handelt es sich bei der Rückstelleinrichtung um eine Federeinrichtung, die beim Bewegen des Ankers 13 aus dessen Ruhelage heraus gespannt wird, um kinetische Energie zu speichern. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Torsionsfeder handeln, die z.B. in einer in Fig. 1 dargestellten, als Hohlwelle ausgestalteten Welle 50 verläuft, die den Anker 13 mit dem Stellglied 4 verbindet.

[0024] Wie bereits mit Bezug auf Fig. 1 erläutert, umfasst die Stellvorrichtung 5 außerdem eine Sensorik 12. Die Sensorik 12 ist so ausgestaltet, dass damit wenigstens ein Parameter eines vom jeweiligen Elektromagneten 10 erzeugten Magnetfelds gemessen werden kann, und zwar während des Betriebs der Stellvorrichtung 5. Die Sensorik 12 misst dabei einen von der Bewegung bzw. von der Position des Ankers 13 abhängigen Parameter. Beispielsweise wird der magnetische Fluss bzw. die magnetische Flussänderung bzw. die Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses detektiert. Die Messsignale können von der Steuereinrichtung 8 zur Identifizierung der tatsächlichen Endstellung des Ankers 13 verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ können die Messsignale von der Steuereinrichtung 8 zur Durchführung einer Regelung der Strom- bzw. Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten 10 verwendet werden. Diese Anwendungsformen werden weiter unten mit Bezug auf die Fig. 3, 4 und 6, 7 näher erläutert. Im Folgenden wird auf bevorzugte Ausführungsformen der Stellvorrichtung 5 näher eingegangen.

[0025] Entsprechend Fig. 2 kann die Sensorik 12 zumindest einen Streuflusssensor 22 aufweisen. Im gezeigten, bevorzugten Beispiel sind zwei derartige Streuflusssensoren 22 dargestellt. Grundsätzlich kann auch ein einziger Streuflusssensor 22 ausreichen. Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist im Bereich einer der Anlageflächen 18 oder 19 am Stator 14 angeordnet. Im Beispiel ist der eine Streuflusssensor 22 bei einem der Elektromagneten 10 im Bereich der ersten Anlagenfläche 18 angeordnet, während der andere Streuflusssensor 22 im Bereich der zweiten Anlagefläche 19 angeordnet ist. Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist dabei mit Bezug auf die Schwenkachse 7 des Ankers 13 axial versetzt zur jeweiligen Anlagefläche 18 bzw. 19 positioniert. Er misst somit nicht den Fluss, der durch die jeweilige Anlagefläche 18, 19 fließt, sondern einen mit dem Durchfluss korrelierenden Streufluss, der sich außerhalb der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 erstreckt. Durch die Verwendung eines einzelnen Streuflusssensors 22 ist es möglich, eindeutig die vom Anker 13 eingenommene Endstellung zu identifizieren, sogenannte Seitenerkennung. Werden zwei Streuflusssensoren 22 verwendet, kann zusätzlich oder alternativ die Ankerbewegung detektiert werden. Erfasst wird dabei der jeweilige Magnetfeldparameter, der sich durch die Bewegung des Ankers 13 verändert.

[0026] Der jeweilige Streuflusssensor 22 weist einen Jochkörper 23 sowie eine Messspule 24 auf. Im Beispiel ist ein für beide Streuflusssensoren 22 ein gemeinsamer Jochkörper 23 vorgesehen, der im Wesentlichen E-förmig ausgestaltet ist. Grundsätzlich sind auch zwei separate Streuflusssensoren 22 möglich, die U-förmige Jochkörper 23 besitzen. Der jeweilige Streuflusssensor 22 ist an einem Träger 25 angebracht. Der Träger 25 ist am Stator 14 befestigt. Der Träger 25 erstreckt sich dabei ebenfalls jochförmig um den einen Elektromagneten 10 herum und ermöglicht dadurch eine Positionierung der Sensorik 12 im Streufluss der beiden Anlageflächen 18, 19, die am Kern 16 dieses Elektromagneten 10 ausgebildet sind. Ebenso ist es möglich, die Streuflusssensoren 22 in den Elektromagneten 10 baulich zu integrieren. Insbesondere können die Streuflusssensoren 22 in die Arbeitsspule 15 dieses Elektromagneten 10 bzw. in ein Spulengehäuse 26 baulich integriert sein, das auch die Arbeitsspule 15 trägt. Zweckmäßig sind die beiden Streuflusssensoren 22 dem gleichen Elektromagneten 10 zugeordnet. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform möglich, bei der die beiden Streuflusssensoren 22 verschiedenen Elektromagneten 10 zugeordnet sind. Auch ist eine Ausführungsform mit mehr als zwei Streuflusssensoren 22 denkbar. Die bauliche Integration der Streuflusssensoren 22 ist konstruktiv vergleichsweise einfach durchführbar, da insbesondere keine Veränderung des Stators 14 durchgeführt werden muss.

[0027] Entsprechend Fig. 5 kann die Sensorik 12 zumindest einen Nutzflusssensor 27 aufweisen. Im Beispiel sind zwei derartige Nutzflusssensoren 27 vorgesehen. Der jeweilige Nutzflusssensor 27 ist dabei jeweils einer der Anlageflächen 18, 19 zugeordnet und dementsprechend im Bereich der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 am Stator 14 angeordnet. Dabei befindet sich der jeweilige Nutzflusssensor 27 bezüglich der Schwenkachse 7 in demselben Axialabschnitt wie die jeweilige Anlagefläche 18, 19. Der jeweilige Nutzflusssensor 27 weist eine Messspule 28 auf, welche die zugehörige Anlagefläche 18, 19 umschließt. Im Beispiel sind zwei Nutzflusssensoren 27 vorgesehen, deren Messspulen 28 jeweils eine der Anlageflächen 18, 19 umschließen. Bei einer anderen Ausführungsform ist grundsätzlich auch denkbar, dass der Nutzflusssensor 27 eine Messspule 28 aufweist, die beide Anlageflächen 18, 19 und insbesondere den Kern 16 umschließt.

[0028] Mit Hilfe einer einzigen Messspule 28, die beide Anlageflächen 18, 19 umschließt oder die eine der Anlageflächen 18, 19 umschließt, kann die Änderung detektiert werden, die sich im magnetischen Fluss durch die jeweilige Anlagefläche 18, 19 aufgrund der Ankerbewegung ergibt. Sofern die Messspule 28 nur einer der Anlageflächen 18, 19 zugeordnet ist, kann die Endposition identifiziert werden, in welcher sich der Anker befindet. Bevorzugt werden jedoch zwei Nutzflusssensoren 27, mit deren Hilfe sowohl die Ankerbewegung als auch die Ankerendlagen detektierbar sind.

[0029] Der jeweilige Nutzflusssensor 27 ist hier in den Kern 16 des Elektromagneten 10 baulich integriert, wodurch er bei der hier vorgestellten Bauweise des Stators 14 gleichzeitig in den Stator 14 baulich integriert ist. Des Weiteren ist es grundsätzlich möglich, den Nutzflusssensor 27 bzw. dessen Messspule 28 in die Arbeitsspule 10 baulich zu integrieren. Ebenso ist allgemein eine Integration in den jeweiligen Elektromagneten 10 denkbar. Beispielsweise kann der Spulenträger 26 einen komplementär zur freien Kernspitze ausgestalteten Ansatz aufweisen, der die jeweilige Messspule 28 aufnimmt. Durch die Montage des Elektromagneten 10 bzw. des Spulenkörpers 26 werden dann automatisch die Arbeitsspule 15 und der jeweilige Nutzflusssensor 27 positioniert.

[0030] Die in den Fig. 2 und 5 vorgestellten unterschiedlichen Bauweisen können alternativ realisiert werden. Ebenso ist eine kumulative Realisierung denkbar. Insbesondere kann mit Hilfe des wenigstens einen Nutzflusssensors 27 die Stromregelung für die Elektromagnete 10 realisiert werden, während mit Hilfe des wenigstens einen Streuflusssensors 22 die Endlagenerkennung oder Seitenerkennung des Ankers 13 durchgeführt wird. Dabei können die unterschiedlichen Sensoren 22, 27 an verschiedenen Elektromagneten 10 angeordnet sein. Ebenso ist eine parallele Anordnung an mehreren Kernen 16 möglich, z.B. zur Verbesserung der Messung durch Mittelwertbildung und/oder zur Schaffung einer Redundanz.

[0031] In den hier gezeigten Beispielen ist der Anker 13 asymmetrisch ausgestaltet, um ihn aus der neutralen Ruhelage heraus durch eine Bestromung der Elektromagnete 10 in eine vorbestimmte Drehrichtung anziehen zu können. Diese Asymmetrie wird hier beispielsweise mittels einer Feldlinienbeeinflussung 96 realisiert, die hier jeweils der ersten Kontaktfläche 20 zugeordnet ist. Durch eine spezielle Anschwingprozedur wird erreicht, dass der Anker 13 aus der Ruhelage heraus in die vorbestimmte Endstellung gelangt. Gemäß Fig. 5 ist der der ersten Anlagefläche 18 zugeordnete Nutzflusssensor 27 so positioniert, dass er diese Asymmetrie berücksichtigt. Eine entsprechende Berücksichtigung kann auch bei den Streuflusssensoren 22 erfolgen.

[0032] Vorzugsweise ist die Stellvorrichtung 5 bei bevorzugten Ausführungsformen als Hochgeschwindigkeitsstellvorrichtung 5 ausgestaltet, die sich dadurch auszeichnet, dass sie zum Verschwenken des Ankers 13 zwischen den beiden Endstellungen eine Schaltzeit von weniger als 10 ms oder vorzugsweise von weniger als 5 ms benötigt.

[0033] Mit Bezug auf Fig. 3 wird im Folgenden die Seitenerkennung der Ankerposition mit Hilfe der Streuflusssensoren in Verbindung mit einer herkömmlichen Stromregelung für die Elektromagnete 10 näher beschrieben:

[0034] Im oberen Diagramm sind zwei zeitliche Verläufe für die an den Messspulen 24 der beiden Streuflusssensoren 22 messbaren Induktionsspannungen U_s aufgetragen, nämlich zum einen ein Verlauf 29 für die fangende oder anlegende Seite und ein Verlauf 30 für die abgebende oder lösende Seite. Im unteren Diagramm finden sich ein zeitlicher Verlauf 31 für die Drehlage des Ankers 13 (angegeben ist dabei der Drehwinkel ϕ), ein zeitlicher Verlauf 32 der an den Spulen 15 der Elektromagnete 10 anliegenden Spannung U sowie ein zeitlicher Verlauf 33 des durch die Spulen 15 der Elektromagnete 10 fließenden Stroms i.

[0035] Während einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 34 wird ein Haltestrom gechoppert, um den Anker 13 in einer seiner Endstellungen zu halten. Zu Beginn einer Phase 35 erfolgt der Befehl zum Umschalten des Ankers 13. Der Strom i wird abgeschaltet. Um ein Kleben des Ankers 13 an der lösenden Seite zu vermeiden, wird in einer Phase 36 eine negative Bestromung der Spulen 15 der Elektromagnete 10 durchgeführt. Während einer Phase 37 wird gewartet, bis sich der Anker 13 bewegt. Während dieser Phase 37 wird ein Maximum der Induktionsspannung U erwartet. Falls der Anker 13 zu diesem Zeitpunkt abgerissen war, also anstelle seiner Endlage seine Neutrallage oder Ruhelage eingenommen hat, kann dieses Maximum nicht detektiert werden. In der Phase 38 erfolgt keine Bestromung. Es liegt eine reine Flugphase vor, in welcher der Anker 13 durch die Rückstellkraft einer entsprechenden Rückstelleinrichtung angetrieben ist.

[0036] In einer Phase 39 erfolgt eine Bestromung auf einem erhöhten Spannungsniveau, um dem Elektromagneten 10 in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Energie zuzuführen. Die erhöhte Spannung ist erforderlich, um die Trägheit der Spulen 15 schneller zu überwinden. In einer Phase 40 wird ein Fangstrom gechoppert, und zwar bei einem reduzierten Spannungsniveau. Hierbei wird der Strom überwacht. Die Einspeisung des Fangstroms wird abgebrochen, wenn der Stromregler das Niveau nicht halten kann und der Stromanstieg unter einen bestimmten Wert absinkt. Erkennbar ist dieses Abbruchskriterium im unteren Diagramm im Stromverlauf 33 dadurch, dass der Strom am Ende eines geradlinigen, im Wesentlichen konstanten Bereichs relativ stark abfällt. In einer Phase 41 sind die Arbeitsspulen 15 auf Freilauf geschaltet und der Anker 13 schlägt an. Das bedeutet, dass die ersten oder zweiten Kontaktflächen 20, 21 an den ersten oder zweiten Anlageflächen 18, 19 zur Anlage kommen. In einer Phase 42 wird vorübergehend ein erhöhtes Stromniveau eingeprägt, um ein Prellen des Ankers 13 zu vermeiden. Anschließend liegt wieder die Phase 34 vor, in welcher der Haltestrom gechoppert wird, nur dass sich der Anker nun in der anderen Endlage befindet.

[0037] Während den Phasen 40 und 41 werden die Messspannungen der beiden Streuflusssensoren 22 beobachtet. Erwartet wird innerhalb dieser Beobachtungszeit, dass die Spannung an der anliegenden Seite beim Anlegen des Ankers 13 stark ansteigt, während an der lösenden Seite ein umgekehrter Spannungsverlauf erwartet wird. Als Entscheidungskriterium für die Identifikation der tatsächlich vorliegenden Endstellung kann beispielsweise der Anstieg beider Spannungskurven in einem vorgegebenen Zeitfenster 43 dienen. Zusätzlich oder alternativ kann als Identifikationskriterium ein Abstand 44 verwendet werden, den die beiden Verläufe 29, 30 maximal voneinander aufweisen. Hierdurch kann die vom Anker 13 erreichte Endposition eindeutig identifiziert werden, ohne dass hierzu ein Zähler mitlaufen muss. In Fig. 3 ist außerdem eine feste Zeitdauer 45 eingetragen, die für die Phase 38 eine vorbestimmte Zeitspanne definiert. Diese feste Pausenzeit 45 kann auf Erfahrungswerten beruhen und kann insbesondere bei einer adaptiven Regelung variieren.

[0038] Anhand von Fig. 4 wird im Folgenden eine Möglichkeit erörtert, mit Hilfe der Streuflusssensoren 22 die Bestromung der Elektromagneten 10 zu regeln. Fig. 4 zeigt dabei im oberen Diagramm einen Verlauf 46 einer induzierten Spannung U_s auf der anlegenden oder fangenden Seite, während ein Verlauf 47 die induzierte Spannung U_s an der abgebenden oder lösenden Seite wiedergibt. An einer Position 48 kommen sich die beiden Verläufe 46 und 47 so nahe, dass ein vorbestimmter Spannungsabstand unterschritten wird. An einer Stelle 49 liegt zumindest beim Verlauf 46 der fangenden Seite ein Maximum vor. Bei 51 erreicht der Verlauf 47 der lösenden Seite ein Minimum.

[0039] In dem in Fig. 4 unten gezeigten Diagramm sind ein Verlauf 52 für die Ankerbewegung (angegeben ist dabei der Drehwinkel ϕ) und ein Verlauf 53 für den Strom i zur Versorgung der Elektromagnete 10 bzw. deren Arbeitsspulen 15 aufgetragen. Mit 54 ist dabei eine Position des Stromverlaufs 53 markiert, bei welcher zum Starten eines Umschaltvorgangs die Bestromung der Elektromagnete 10 ausgeschaltet wird.

[0040] Während einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 55 wird der Haltestrom gechoppert, so dass der Anker 13 in einer der beiden Endstellungen gehalten wird. Zu Beginn einer Phase 56 wird gemäß der Position 54 die Stromzuführung zu den Arbeitsspulen 15 abgeschaltet. Der Umschaltvorgang beginnt. Um ein Kleben des Ankers 13 an der lösenden Seite zu vermeiden, wird während einer Phase 57 eine negative Bestromung der Arbeitsspulen 15 durchgeführt. Darauf folgt eine Phase 58, während der keine Bestromung der Elektromagnete 10 erfolgt. Es handelt sich hier wieder um eine Flugphase für den Anker 13. Diese Phase 58 endet an der Stelle 48, also wenn der Abstand zwischen den beiden Sensorspannungen 46, 47 einen vorbestimmten Wert unterschreitet. Sobald dieses Abbruchkriterium vorliegt, wird die Phase 58 beendet und die Phase 59 beginnt, in der dem System vergleichsweise viel Energie zugeführt wird. Hierzu wird bei einem erhöhten Spannungsniveau vergleichsweise viel Strom zugeführt. Dementsprechend besitzt der Stromverlauf 53 in der Phase 59 einen relativ steilen Anstieg. Auch diese Phase 59 wird mit den Streuflusssensoren 22 überwacht. Sobald bei einem der Sensoren 22, in der Regel zeitgleich bei beiden Sensoren 22, der Verlauf 46, 47 der Sensorspannungen sein Maximum erreicht, was an der Position 49 der Fall ist, wird die Phase 59 beendet und eine Phase 60 beginnt. Während dieser Phase 60 wird auf einem reduzierten Spannungsniveau für die Bestromung der Arbeitsspulen 15 eine konstante Sensorspannung für den Verlauf 46 des Streuflusssensors 22 der anlegenden Seite eingeregelt. Im Beispiel wird hier der Wert der Abszissenachse eingeregelt, der beim Wert Null liegen kann. Diese Phase 60 wird abgebrochen, wenn die gemessene Spannung im Verlauf 47 der lösenden Seite das Minimum 51 erreicht. Dieses Minimum 51 liegt dann vor, wenn der Anker 13 die andere Endstellung erreicht. In der darauffolgenden Phase 61 wird wieder das erhöhte Stromniveau eingeprägt, mit dessen Hilfe ein Prellen des Ankers 13 vermieden werden kann. Anschließend erfolgt wieder die Einspeisung des Haltestroms, so dass erneut die Phase 55 vorliegt. Erkennbar kann somit die gesamte Bestromung der Elektromagnete 10 in Abhängigkeit der Verläufe 46, 47 der induzierten Spannung U_S an den beiden Streuflusssensoren 22 geregelt werden. Aus diesen Verläufen 46, 47 können die Schaltzeitpunkte herausgelesen werden, zu denen die Phasen 58, 59 und 60 enden bzw. die Phasen 59, 60 und 61 beginnen.

[0041] Im Folgenden wird anhand von Fig. 6 für die mit Bezug auf Fig. 5 erläuterte Stellvorrichtung 5 eine erste Variante für eine Regelung der Bestromung der Elektromagnete 10 mit Hilfe der Nutzflusssensoren 27 näher erläutert:

[0042] In Fig. 6 zeigt das obere Diagramm wieder mehrere zeitliche Verläufe. Im Einzelnen finden sich ein Verlauf 62 für den Nutzflusssensor 27 der anlegenden Seite zu Beginn eines Umschaltvorgangs, ein Verlauf 63 der Spannung des Nutzflusssensors 27 an der anlegenden Seite in einem späteren Bereich eines Umschaltvorgangs, einen Verlauf 64 für den Nutzflusssensor 27 der abgebenden Seite zu Beginn des Umschaltvorgangs und einen Verlauf 65 der lösenden Seite gegen Ende des Umschaltvorgangs. Markante Stellen sind eine Position 66, bei welcher ein mit dem Nutzflusssensor 27 der fangenden Seite ermittelter Parameter, einen vorbestimmten Schwellwert erreicht. Ferner ist eine Position 67 markiert, die ein Minimum im Verlauf 65 der abgebenden Seite repräsentiert.

[0043] Im unteren Diagramm der Fig. 6 sind wieder ein Verlauf 68 für die Ankerposition und ein Verlauf 69 für den den Arbeitsspulen 15 der Elektromagnete 10 zugeführten Strom i wiedergegeben. Während einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 70 wird ein Haltestrom gechoppert. Der Anker 13 ist in einer der Endstellungen festgehalten. Die Phase 71 beginnt mit dem Umschaltbefehl. Hierzu wird der Versorgungsstrom i abgeschaltet. Während der Phase 72 werden die Arbeitsspulen 15 negativ bestromt, um ein Kleben des Ankers 13 an den Anlageflächen 18, 19 zu vermeiden bzw. aufzuheben. Anschließend wird während einer Phase 73 die Bestromung komplett ausgeschaltet. Der Anker 13 befindet sich in seiner Flugphase. Die Phasen 71, 72, 73 sind hinsichtlich ihrer Länge fest vorgegeben, was in Fig. 6 durch eine Zeitspanne 74 angedeutet ist. Diese Zeitspanne 74 ist beispielsweise anhand von Versuchen ermittelt worden. Sie kann jedoch auch während des Betriebs der Stellvorrichtung 5 adaptiert werden. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne 74 endet somit die Phase 73 und die Phase 75 beginnt. Zu Beginn der Phase 75 erfolgt eine starke Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf einem erhöhten Spannungsniveau. Gleichzeitig beginnt mit dieser Phase 75 eine Integration der Sensorsignale zumindest auf der fangenden Seite. Durch die Integration der Spannungswerte kann der magnetische Fluss bestimmt werden. Die Phase 75 endet, wenn die Stelle 66 erreicht wird, also wenn ein vorbestimmter Flusswert (Schwellwert) erreicht wird. Anschließend können während einer Phase 76 bei einer reduzierten Spannung die Elektromagnete 10 so bestromt werden, dass z.B. eine konstante Flussänderung auf der fangenden Seite eingeregelt wird. Im Beispiel der Fig. 6 ist im oberen Diagramm im Verlauf 63 nach der Stelle 66 ein geradliniger Abschnitt mit geringer Steigung erkennbar. Dies entspricht einer konstanten Flussänderung. Alternativ zur konstanten Flussänderung kann bei anderen Ausführungsformen auch eine linear abnehmende oder linear zunehmende Flussänderung eingeregelt werden; ebenso ist ein parabolischer oder exponentieller Verlauf für die Flussänderung denkbar. Gleichzeitig wird während dieser Phase 76 der Verlauf des Flusses, nämlich die induzierte Spannung U_s an der abgebenden Seite gemäß dem Verlauf 65 beobachtet. Das Ende dieser Phase 76 liegt beim Auftreffen des Ankers 13 auf die Anlageflächen 18 bzw. 19 vor. Erkannt wird dies im Beispiel dadurch, dass der Spannungsverlauf 65 am abgebenden Nutzflusssensor 27 bei 67 sein Minimum erreicht. Sobald dieses Minimum 67 vorliegt, wird die Phase 76 beendet und eine Phase 77 begonnen, in welcher ein erhöhtes Stromniveau eingeprägt wird, um ein Prellen des Ankers 13 zu vermeiden. Anschließend liegt wieder die Phase 70 vor, in welcher der Haltestrom gechoppert wird. Der Anker 13 befindet sich nun in der anderen Endstellung.

[0044] Zu Beginn des Umschaltvorgangs kann durch Beobachten der Spannungsverläufe an den beiden Nutzflusssensoren 27 identifiziert werden, von welcher Endstellung sich der Anker 13 jetzt löst bzw. in Richtung welcher Endstellung der Anker 13 in Bewegung gesetzt wird. Hierzu werden die Minima der Verläufe 62 und 64 beobachtet. Das Spannungsminimum ist beim lösenden Nutzflusssensor 27 kleiner als beim anlegenden Nutzflusssensor 27. Dabei kann ein Spannungsabstand 78 beobachtet werden, der einen Mindestwert aufweisen muss. Die hier vorgestellte Vorgehensweise ermöglicht somit eine Bestromung ausschließlich in Abhängigkeit der mit Hilfe der Nutzflusssensoren 27 ermittelten Messsignale. Gleichzeitig kann mit Hilfe dieser Messsignale auch eindeutig die Position des Ankers 13 identifiziert werden (Seitenerkennung).

[0045] Im Folgenden wird anhand von Fig. 7 eine zweite Alternative zum Regeln der Bestromung der Elektromagnete 10 bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Stellvorrichtung 5 mit Hilfe der Nutzflusssensoren 27 näher erläutert:

[0046] In Fig. 7 sind im oberen Diagramm wieder mehrere zeitliche Verläufe eingetragen, nämlich ein Verlauf 79 der vom fangenden Nutzflusssensor 27 gemessenen Spannung zu Beginn eines Umschaltvorgangs. Ein Verlauf 80 zeigt die zu Beginn eines Umschaltvorgangs am abgebenden Nutzflusssensor 27 gemessene Spannung. Ein Verlauf 81 gibt die am fangenden Nutzflusssensor 27 gemessene Spannung gegen Ende des Umschaltvorgangs wieder. Ein Verlauf 82 gibt für den Endbereich des Umschaltvorgangs den Spannungsverlauf am abgebenden Nutzflusssensor 27 wieder. Bei Position 83 wird ein vorbestimmter Flusswert an der annehmenden Seite erreicht. An der Position 84 liegt ein Minimum im Spannungsverlauf 82 der abgebenden Seite vor.

[0047] Im unteren Diagramm befindet sich ein zeitlicher Verlauf 85 für die Bewegungsbahn (angegeben ist dabei der Drehwinkel ϕ) des Ankers 13 und ein zeitlicher Verlauf 86 für den Strom i zur Versorgung der Elektromagnete 10. In einer an der Abszisse des unteren Diagramms durch eine geschweifte Klammer angedeuteten Phase 87 wird ein Haltestrom gechoppert, um den Anker 13 in der einen Endstellung festzuhalten. Zu Beginn einer Phase 88 erfolgt der Befehl zum Umschalten des Ankers 13 von der einen Endstellung in die andere Endstellung. Hierzu wird die Bestromung der Arbeitsspulen 15 abgeschaltet. In der Phase 89 erfolgt wieder eine negative Bestromung der Arbeitsspulen 15, um ein Kleben des Ankers 13 zu vermeiden bzw. gegen eine solche Anhaftung den Anker 13 von den Anlageflächen 18 bzw. 19 zu lösen. Anschließend folgt eine freie Flugphase 90, in der keine Bestromung der Elektromagnete 10 erfolgt. Auch hier ist wieder für die Phasen 88, 89 und 90 eine feste Zeitspanne 91 vorgegeben, die aus Versuchen ermittelt werden kann und die insbesondere während des Betriebs der Stellvorrichtung 5 adaptierbar ist. Am Ende dieser vorgegebenen Pausenzeit 91 endet die Phase 90 und die Phase 92 beginnt. Während dieser Phase 92 wird die Bestromung der Arbeitsspulen 15 so geregelt, dass sich am fangenden Nutzflusssensor 27 ein konstanter Verlauf 81 einstellt. Um die Flussänderung zu erhöhen, erfolgt die Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf einem erhöhten Spannungsniveau. Um die Flussänderung wieder etwas zu reduzieren, erfolgt die Bestromung der Arbeitsspulen 15 auf einem reduzierten Spannungsniveau. Auf diese Weise kann der konstante Verlauf der Flussänderung eingeregelt werden. Während dieser Phase 92 wird der Fluss integriert bis ein vorbestimmter Maximalwert erreicht wird. Dieser Schwellwert ist bei der Stelle 83 erreicht. Sie beendet die Bestromung durch Wechseln zwischen unterschiedlich hohen Spannungsniveaus. Es beginnt mit der Phase 93 eine Bestromung, bei der zum Erhöhen der Flussänderung eine Bestromung auf dem niedrigeren Spannungsniveau durchgeführt wird und bei der zum Reduzieren der Flussänderung die Bestromung ausgeschaltet wird, d.h. die Spannung wird auf Null reduziert. Es erfolgt somit immer noch eine Regelung im Hinblick auf eine konstante Flussänderung. Gleichzeitig wird nunmehr der Flussverlauf an der abgebenden Seite beobachtet. Die Phase 93 wird beendet, sobald der Fluss auf der lösenden Seite wieder ansteigt, das heißt, sobald der Verlauf 82 sein Minimum 84 erreicht. Dies ist dann der Fall, wenn der Anker 13 an der anderen Endstellung gegen den Anschlag läuft. In der darauffolgenden Phase 94 wird wieder ein Stromniveau in die Arbeitsspulen 15 der Elektromagnete 10 eingeprägt, das ein Prellen des Ankers 13 vermeidet. Anschließend wird wieder der Haltestrom angelegt, so dass wieder die Phase 87 vorliegt.

[0048] Die in den hier besprochenen Diagrammen der Fig. 3, 4 und 6, 7 genannten Spannungsniveaus liegen beispielsweise bei 12 V für das niedrigere Spannungsniveau und bei 45 V für das höhere Spannungsniveau.

[0049] Die Erkennung bzw. Identifizierung der tatsächlich vorliegenden Endstellung erfolgt auch hier zu Beginn des Umschaltvorgangs durch Vergleichen der beiden Spannungsverläufe 79, 80 an den beiden Nutzflusssensoren 27. Die Spannung am abgebenden Nutzflusssensor 27 fällt stärker ab als am fangenden Nutzflusssensor 27. Beobachtet wird hierbei ein Abstand 95 zwischen den Minima der beiden Verläufe 79, 80, der einen Mindestwert aufweisen muss.

[0050] Entsprechend Fig. 8 soll für eine bevorzugte Ausführungsform ein weiteres mögliches Betriebsverfahren für die Stellvorrichtung 5 näher erläutert werden. Bei dieser Ausführungsform wird die Regelung der Spannung bzw. des Stroms am jeweiligen Elektromagneten 10 nicht über die gesamte Zeitdauer des jeweiligen Schaltvorgangs in Abhängigkeit der mit Hilfe der Sensorik 12 gemessenen Messsignale durchgeführt. Die Regelung der Spannungs- und/oder Stromversorgung des jeweiligen Elektromagneten 10 erfolgt nur während einer vorbestimmten Regelungszeit 97. Diese Regelungszeit 97 beginnt zu einem Zeitpunkt, bei dem der Anker 13 von der lösenden Endstellung abhebt, zu dem also seine Drehbewegung beginnt. Ermittelt wird dieser Zeitpunkt mit Hilfe der Sensorik 12. Durch Beobachten eines Verlaufs 99 der Sensorspannung an der lösenden Seite und/oder des Stromverlaufs 69 am wenigstens einen Elektromagneten kann während des Lösens des Ankers 13 oder zu Beginn der Drehbewegung bis zum Ende der stromfreien Flugphase ein markanter Zeitpunkt detektiert werden, auf den sich der Startzeitpunkt der folgenden Bestromung bezieht. Vorzugsweise kann das ausgeprägte Minimum 100 im Verlauf 99 der Sensorspannung an der lösenden Seite, welches den Zeitpunkt definiert, zu dem sich der Anker 13 löst, ausgewertet werden. Während der Regelungszeit 97 findet die Spannungs-Stromregelung des wenigstens einen Elektromagneten 10 in Abhängigkeit der mit Hilfe der Sensorik 12 ermittelten Messsignale statt. Diese Regelung findet insbesondere in einem Bereich 103 des Stromverlaufs 69 statt, in dem nach der Freiflugphase Energie in den wenigstens einen Elektromagneten 10 eingebracht wird. Insoweit kann insbesondere auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden. Mit Ablauf der Regelungszeit 97 wird diese Regelung der Spannungs- und/oder Stromversorgung des wenigstens einen Elektromagneten 10 beendet und es wird eine konstante Spannung am jeweiligen Elektromagneten 10 angelegt. Die Regelungszeit 97 ist dabei so bemessen, dass der Anker 13 am Ende der Regelungszeit 97 noch nicht die andere, also die fangende Endlage erreicht hat, sich ihr jedoch schon relativ weit genähert hat. Die am jeweiligen Elektromagneten 10 angelegte konstante Spannung ist so gewählt, dass sie zum sicheren Auffangen des Ankers 13 ausreicht. Durch Beobachten eines Spannungsverlaufs 101 der Sensorik 12 auf der fangenden Seite kann beispielsweise der Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem der Anker 13 die fangende Endlage erreicht. Beim Anlegen des Ankers 13 in der fangenden Endlage zeigt der Spannungsverlauf 101 der fangende Seite ein Maximum 102.

[0051] Um eine möglichst geringe Geräuschentwicklung während der Schaltvorgänge realisieren zu können, ist eine möglichst niedrige Auftreffgeschwindigkeit für den Anker 13 beim Anlegen an der jeweiligen Anlagefläche 18, 19 erwünscht. Um die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13 zu ermitteln, gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen kann die Steuereinrichtung 8 Messsignale des Klopfsensors 98 auswerten. Die Intensität der damit ermittelten Klopfsignale korreliert mit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13. Alternativ können auch die Messsignale der Sensorik 12 auf der fangenden Seite ausgewertet werden. Im Verlauf 101 der Sensorspannung der fangenden Seite korreliert der Spannungsanstieg am Ende der Regelungszeit 97 bis zum Maximum 102 mit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13. Je steiler der Spannungsanstieg, desto höher ist die Auftreffgeschwindigkeit.

[0052] Die Steuereinrichtung 8 kann nun einen Energieeintrag in den wenigstens einen Elektromagneten 10 während der Regelungszeit 97 in Abhängigkeit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13 adaptieren. Dieser Energieeintrag entspricht einer Fläche 104 unterhalb des Stromverlaufs 69 im Bereich 103 und wird im Folgenden auch mit Energieeintrag 104 bezeichnet. Das bedeutet, dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers 13, die für den aktuellen Schaltvorgang ermittelt worden ist, dazu verwendet wird, den Energieeintrag 104 während der Regelungszeit 97 für den nächsten Schaltvorgang zu adaptieren. Liegt die ermittelte Auftreffgeschwindigkeit unterhalb eines Toleranzbereichs zulässiger Auftreffgeschwindigkeiten, wird der Energieeintrag 104 während der Regelungszeit 97 um einen vorbestimmten Wert, der insbesondere vom Abstand der ermittelten Auftreffgeschwindigkeit vom Toleranzbereich abhängen kann, vergrößert, während dieser um einen vorbestimmten Wert, der insbesondere vom Abstand der ermittelten Auftreffgeschwindigkeit vom Toleranzbereich abhängen kann, verkleinert wird, wenn die ermittelte Auftreffgeschwindigkeit oberhalb des Toleranzbereichs liegt. Die Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Energieeintrags 104 kann bei einer einfachen Ausführungsform durch Verlängern oder Verkürzen der Regelungszeit 97 eingestellt werden. Die Adaption des Energieeintrags 104 wird dabei durch eine entsprechende Adaption der Regelungszeit 97 realisiert. Alternativ kann zum Variieren des Energieeintrags 104 auch die Frequenz beim Choppern der Spannung während der Spannungs- bzw. Stromregelung des wenigstens einen Elektromagneten 10 und/oder die Steigung des Stromanstiegs und/oder die Höhe der Spannung während der Spannungs- bzw. Stromregelung variiert werden.

Ansprüche

1. Stellvorrichtung zum Verstellen eines Stellglieds (4) zwischen zwei Endstellungen, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung bei einer Brennkraftmaschine,

- mit einem Anker (13), der um eine Schwenkachse (7) zwischen zwei Endstellungen in einem Stator (14) schwenkverstellbar gelagert ist und der drehfest mit dem Stellglied (4) verbunden oder verbindbar ist,

- mit mindestens einem am oder im Stator (14) angeordneten Elektromagneten (10) zum Erzeugen elektromagnetischer Anziehungskräfte,

- mit mindestens einer ersten statorseitigen Anlagefläche (18), an welcher eine erste Kontaktfläche (20) des Ankers (13) in der ersten Endstellung des Ankers (13) anliegt,

- mit zumindest einer zweiten statorseitigen Anlagefläche (19), an welcher eine zweite Kontaktfläche (21) des Ankers (13) in der zweiten Endstellung des Ankers (13) anliegt,

gekennzeichnet durch eine Sensorik (12) zum Messen wenigstens eines von der Ankerbewegung und/oder Ankerposition abhängigen Parameters eines vom wenigstens einen Elektromagneten (10) erzeugten Magnetfelds während des Betriebs der Stellvorrichtung (5).

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinrichtung (8) zum Betätigen des wenigstens einen Elektromagneten (10) vorgesehen ist, die mit der Sensorik (12) zur Auswertung der Messsignale gekoppelt ist und die so ausgestaltet ist, dass sie mit den Messsignalen der Sensorik (12) die tatsächliche Endstellung des Ankes (13) identifiziert, die der Anker (13) aktuell einnimmt oder in die der Anker (13) aktuell einschwenkt oder aus der der Anker (13) aktuell ausschwenkt.

3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

- dass eine Steuereinrichtung (8) zum Betätigen des wenigstens einen Elektromagneten (10) vorgesehen ist, die mit der Sensorik (12) zur Auswertung der Messsignale gekoppelt ist und die so ausgestaltet ist, dass sie mit den Messsignalen der Sensorik (12) eine Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten (10) durchführt,

- wobei optional vorgesehen sein kann, dass die Steuereinrichtung (8) so ausgestaltet ist, dass sie bei einem Schaltvorgang die mit Hilfe der Messsignale der Sensorik (12) durchgeführte Regelung der Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten (10) nach einer vorbestimmten Regelungszeit (97) beendet und stattdessen am wenigstens einen Elektromagneten (10) eine konstante Spannung anlegt,

- wobei ferner optional vorgesehen sein kann, dass die Steuereinrichtung (8) anhand der Messsignale der Sensorik (12) während der Phase der konstanten Spannung am wenigstens einen Elektromagneten (10) einen mit einer Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) korrelierte Größe ermittelt und in Abhängigkeit davon einen Energieeintrag (104) für den nächsten Schaltvorgang adaptiert,

- wobei außerdem optional vorgesehen sein kann, dass die Steuereinrichtung (8) mit einem Klopfsensor (98) gekoppelt ist und in Abhängigkeit von Messsignalen des Klopfsensors (98) einen Energieeintrag (104) für den nächsten Schaltvorgang adaptiert.

4. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorik (12) zumindest einen Streuflusssensor (22) aufweist, der im Bereich wenigstens einer der Anlageflächen (18, 19) am Stator (14) angeordnet ist.

5. Stellvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Streuflusssensor (22) bezüglich der Schwenkachse (7) des Ankers (13) axial versetzt zur jeweiligen Ankerfläche (18, 19) angeordnet ist, und/oder

- dass die Sensorik (12) genau einen Streuflusssensor (22) aufweist, der genau eine Messspule (24) aufweist, die einer der Anlageflächen (18, 19) zugeordnet ist, oder dass die Sensorik (12) zwei Streuflusssensoren (22) aufweist, die jeweils eine Messspule (24) aufweisen, die jeweils einer der Anlageflächen (18, 19) zugeordnet sind.

6. Stellvorrichtung zumindest nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei einem Stator (14), der mehrere Elektromagnete (10) aufweist, mehrere Streuflusssensoren (22) vorgesehen sind, die verschiedenen Elektromagneten (10) zugeordnet sind.

7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der jeweilige Streuflusssensor (22) einen Jochkörper (23) aufweist, der die jeweilige Messspule (24) trägt, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, den Jochkörper (23) bei einer einzigen Messspule (24) U-förmig auszugestalten und bei zwei Streuflusssensoren (22) einen gemeinsamen Jochkörper (23) vorzusehen, der E-förmig ausgestaltet ist, und/oder

- dass der jeweilige Streuflusssensor (22) an einem Träger (25) befestigt ist, der seinerseits am Stator (14) befestigt ist, oder dass der jeweilige Streuflusssensor (23) in den Elektromagneten (10), insbesondere in eine Arbeitsspule (15) des Elektromagneten (10), baulich integriert ist.

8. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensorik (12) mindestens einen Nutzflusssensor (27) aufweist, der im Bereich wenigstens einer der Anlageflächen (18, 19) am Stator (14) angeordnet ist.

9. Stellvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Nutzflusssensor (27) und die jeweilige Anlagefläche (18, 19) bezüglich der Schwenkachse (7) des Ankers (13) in demselben Axialabschnitt angeordnet sind, und/oder

- dass der Nutzflusssensor (27) eine Messspule (28) aufweist, die eine der Anlageflächen (18, 19) umschließt, oder dass der Nutzflusssensor (27) eine Messspule (28) aufweist, die beide Anlageflächen (18, 19) umschließt, oder dass zwei Nutzflusssensoren (27) vorgesehen sind, deren Messspulen (28) jeweils eine der Anlageflächen (18, 19) umschließen.

10. Stellvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Nutzflusssensor (27) in den Stator (14) oder in den Elektromagneten (10) baulich integriert ist, wobei der Nutzflusssensor (27) in einen Kern (16) des Elektromagneten (10) oder in eine Arbeitsspule (15) des Elektromagneten (10) baulich integriert sein kann, und/oder

- dass bei einem Stator (14), der mehrere Elektromagnete (10) aufweist, mehrere Nutzflusssensoren (27) vorgesehen sind, die verschiedenen Elektromagneten (10) zugeordneten sind.

11. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,

- dass jeweils mit der gleichen Anzahl mehrere Elektromagneten (10), mehrere erste Anlageflächen (18), mehrere zweite Anlageflächen (19), mehrere erste Kontaktflächen (20) und mehrere zweite Kontaktflächen (21) vorgesehen sind, und/oder

- dass die Stellvorrichtung (5) als Hochgeschwindigkeitsstellvorrichtung (5) ausgestaltet ist, die zum Verschwenken des Ankers (13) von der einen Endstellung in die andere Endstellung weniger als 10 ms oder weniger als 5 ms benötigt.

12. Ventileinrichtung zum Beeinflussen einer Gasströmung (2) in einem Gaspfad (3), insbesondere bei einer Brennkraftmaschine,

- mit einem Ventilglied (4) zum Verändern eines durchströmbaren Querschnitts (6) des Gaspfads (3), das um eine Schwenkachse (7) zwischen zwei Endstellungen verstellbar angeordnet ist,

- mit einer Stellvorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, deren Anker (13) mit dem Ventilglied (4) drehfest verbunden ist.

13. Verfahren zum Betreiben einer Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

- bei dem während eines Schaltvorgangs während einer Regelungszeit (97) die Strom- und/oder Spannungsversorgung des wenigstens einen Elektromagneten (10) in Abhängigkeit von Messsignalen der Sensorik (12) geregelt wird,

- bei dem mit Ablauf der Regelungszeit (97) die Regelung beendet wird und stattdessen eine konstante Spannung am wenigstens einen Elektromagneten (10) angelegt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Energieeintrag (104) in den wenigstens einen Elektromagneten (10) für den nächsten Schaltvorgang in Abhängigkeit der Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) adaptiert wird, die der Anker (13) während des aktuellen Schaltvorgangs erreicht.

15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) in Abhängigkeit von Messsignalen der Sensorik (12) ermittelt wird, oder

- dass die Auftreffgeschwindigkeit des Ankers (13) in Abhängigkeit von Messsignalen eines Klopfsensors (98) ermittelt wird.

Zeichnung