Title:
Bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung (16) mit einer als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel (14) mit einem Versorgungsspannungssignal aus einer Versorgungsspannungsquelle (18) zwischen einer ersten und einer zweiten, jeweils stromlos stabilen Stellposition bewegbaren Ankereinheit,
wobei den Spulenmitteln zugeordnete Ausfallansteuermittel (22–26), die zum Erzeugen eines insbesondere impulsförmigen Ausfallbestromungssignals zum Verbringen der Ankereinheit in eine vorbestimmte der Stellpositionen ausgebildet ist, eine zum Erfassen eines Spannungspegels der Versorgungsspannungsquelle und/oder eines Spannungspegels des Versorgungsspannungssignals ausgebildete Detektoreinheit (22) sowie von der Versorgungsspannungsquelle unabhängige und/oder zusätzlich zu dieser vorgesehene elektrische Energiespeichermittel (24) aufweist und so beschaltet und eingerichtet ist, dass als auf Reaktion auf ein Erfassen des Spannungspegels unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts für die Versorgungsspannung und/oder des Versorgungssignals, insbesondere ein Erfassen eines Spannungsausfalls der Versorgungsspannungsquelle, die Ausfallsteuermittel unter Nutzung der in den elektrischen Energiespeichermitteln gespeicherten elektrischen Energie das Ausfallbestromungssignal für das Verbringen der Ankereinheit in die vorbestimmte der Stellpositionen an die Spulenmittel und/oder an den Spulenmitteln zugeordnete zusätzliche Spulenmittel anlegen.





Inventors:
Bürßner, Jörg (78234, Engen, DE)
Schiepp, Thomas (78606, Seitingen-Oberflacht, DE)
Application Number:
DE102016107980A
Publication Date:
11/02/2017
Filing Date:
04/29/2016
Assignee:
ETO MAGNETIC GmbH, 78333 (DE)
International Classes:
H01F7/18; H01F7/121
Domestic Patent References:
DE102007049687A1N/A2009-05-28
DE20114466U1N/A2002-01-03
DE3405840A1N/A1985-08-22
Attorney, Agent or Firm:
Patentanwälte Behrmann Wagner Partnerschaftsgesellschaft mbB, 78224, Singen, DE
Claims:
1. Bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung (16) mit
einer als Reaktion auf eine Bestromung stationärer Spulenmittel (14) mit einem Versorgungsspannungssignal aus einer Versorgungsspannungsquelle (18) zwischen einer ersten und einer zweiten, jeweils stromlos stabilen Stellposition bewegbaren Ankereinheit,
gekennzeichnet durch
den Spulenmitteln zugeordnete Ausfallansteuermittel (2226), die zum Erzeugen eines insbesondere impulsförmigen Ausfallbestromungssignals zum Verbringen der Ankereinheit in eine vorbestimmte der Stellpositionen ausgebildet ist,
eine zum Erfassen eines Spannungspegels der Versorgungsspannungsquelle und/oder eines Spannungspegels des Versorgungsspannungssignals ausgebildete Detektoreinheit (22)
sowie von der Versorgungsspannungsquelle unabhängige und/oder zusätzlich zu dieser vorgesehene elektrische Energiespeichermittel (24) aufweist
und so beschaltet und eingerichtet ist, dass als auf Reaktion auf ein Erfassen des Spannungspegels unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts für die Versorgungsspannung und/oder des Versorgungssignals, insbesondere ein Erfassen eines Spannungsausfalls der Versorgungsspannungsquelle, die Ausfallsteuermittel unter Nutzung der in den elektrischen Energiespeichermitteln gespeicherten elektrischen Energie das Ausfallbestromungssignal für das Verbringen der Ankereinheit in die vorbestimmte der Stellpositionen an die Spulenmittel und/oder an den Spulenmitteln zugeordnete zusätzliche Spulenmittel anlegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Energiespeichermittel als elektrische Kondensatormittel (24) und/oder mittels einer Pufferbatterie realisiert und bevorzugt an oder in einem Gehäuse (16) der Aktorvorrichtung aufgenommen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Energiespeichermittel so beschaltet sind, dass diese mit elektrischer Energie der Versorgungsspannungsquelle (18) beaufschlagt, insbesondere geladen werden können.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Energiespeichermittel (24) zur Spannungsversorgung der Ausfallsteuermittel (26), insbesondere einer die Detektoreinheit (22) und/oder das Anlegen des Ausfallbestromungssignals realisierenden Steuerelektronik, ausgebildet und beschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankereinheit mechanisch wirkende Rastmittel und/oder Permanentmagnetmittel zum Halten der Ankereinheit in der ersten und/oder in der zweiten Stellposition zugeordnet sind, bevorzugt an der Ankereinheit ansitzen oder in diese integriert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel durch einen Stromfluss, insbesondere einen aus den Energiespeichermitteln erzeugten Stromfluss, magnetisierbar, ummagnetisierbar und/oder entmagnetisierbar ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit keine diese in eine der Stellpositionen mechanisch vorspannenden Kraftspeichermittel, insbesondere keine Federmittel, zugeordnet aufweist.

8. Verwendung der bistabilen elektromagnetischen Aktorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Realisierung eines Magnetventils, bei welchem der Ankereinheit zugeordnete Verschlussmittel in der ersten bzw. in der zweiten Stellposition einen Fluidfluss zwischen Ventilein- und. Ventilauslässen des Magnetventils öffnen oder unterbrechen können.

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetventil zum Schalten oder zur Steuerung eines Kühlfluids für einen industriellen oder Fahrzeugmotor ausgebildet ist.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 201 14 466 U1 der Anmelderin bekannt.

Bei derartigen elektromagnetischen Aktorvorrichtungen, welche neben verschiedensten Stellanwendungen, etwa auch im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugmotoren, für die Realisierung von Elektromagnetventilen verwendet werden können, ist eine einen Permanentmagnetring tragende Ankereinheit relativ zu stationären Kern- und Spulenmitteln in einem Aktorgehäuse bewegbar geführt und kann als Reaktion auf eine Bestromung der Spulenmittel, insbesondere unter Nutzung einer abstoßenden Kraftwirkung zwischen dem ankerseitigen Permanentmagnetring und einer Spulenmagnetkraft, im Kern bewegt werden.

Diese bekannte und als gattungsbildend herangezogene Technologie ist zudem (stromlos) bistabil, d. h. durch permanentmagnetische Haftwirkung am Kern einerseits und an einem gegenüberliegenden stirnseitigen Gehäuseabschnitt andererseits hält die Ankereinheit in diesen End- bzw. Stellpositionen, selbst wenn eine die Ankerbewegung bewirkende Bestromung der Spulenmittel beendet ist.

Eine derartige bistabile Stellwirkung ist insbesondere für Anwendungsfälle vorteilhaft, bei welchen die Ankereinheit stromlos stabil in einer der Stellpositionen verbleiben muss, da eine Bestromung nur für den eigentlichen Bewegungs- bzw. Stellvorgang erforderlich ist. Entsprechend ist eine derartige Bistabilität insbesondere unter energetischen Gesichtspunkten vorteilhaft.

Allerdings sind Anwendungsgebiete bzw. Einsatzzwecke für elektromagnetische Aktorvorrichtungen möglich, bei welchen die Ankereinheit im Fall einer möglichen Störung einer die Bestromung bewirkenden Ansteuerelektronik oder etwa einem vollständigen Ausfall einer Versorgungsspannungsquelle zuverlässig eine vorbestimmte der Stellpositionen einnehmen muss. Eine derartige Situation tritt beispielsweise auf, wenn die gattungsgemäße Aktorvorrichtung für Schaltaufgaben, etwa als Elektromagnetventil in sensiblen Fluidumgebungen wie einem Kühlkreislauf, verwendet werden soll. Hier ist dann sicherzustellen, dass beim beschriebenen Störungsszenario, etwa einem Ausfall der Versorgungsspannung, stets das Elektromagnetventil in der entsprechenden Schaltstellung geöffnet bleibt, um einen kontinuierlichen Kühlfluidfluss zu gewährleisten, ohne welchen dann erhebliche Betriebsprobleme zu erwarten wären.

Allerdings ist die gattungsgemäße und etwa aus der DE 201 14 466 U1 bekannte bistabile Aktortechnologie für einen derartigen Betrieb mit vorbestimmter und definierter Stellposition – im Hinblick auf einen Ausfall einer Versorgungsspannung auch als „fail-safe” bezeichnet – nur bedingt geeignet, denn durch das permanentmagnetische Haften an jeweiligen gegenüberliegenden Stellpositionen auch im unbestromten Zustand kann im Ausfallszenario eine unbestimmte und damit potenziell falsche Aktorstellung (und damit auch Ventilstellung) entstehen.

Aus diesem Grund wird zur Realisierung von fail-safe-Aktoren im Regelfall eine monostabile Aktortechnologie eingesetzt, bei welcher die Ankereinheit gegen eine Rückstellkraft von Kraftspeichermitteln, etwa einer auf die Ankereinheit wirkenden Feder, aus einer ersten in die zweite Position bewegt wird, dort dann bei kontinuierlicher Bestromung gehalten wird, nach Beenden der Bestromung dann jedoch die Kraftspeichermittel mechanisch die Ankereinheit zurück in die erste Stellposition verbringen. Während auf diese Weise im Sinne des fail-safe-Gedankens eine definierte eindeutige und vorbestimmte Stellposition im unbestromten Zustand der Spulenmittel realisiert ist (was ja dann auch für ein Versorgungsspannungsausfallszenario gelten würde), ist gleichwohl eine derartige monostabile Technologie nachteilig, da zum Halten der Ankereinheit in der zweiten Stellposition (gegen die Kraft der Feder als Kraftspeicher) eine permanente Bestromung und damit eine permanente elektrische Energiezufuhr notwendig ist.

Angesichts dieser jeweiligen nachteilsbehafteten Ansätze aus dem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, welche gleichwohl im Fall eines Ausfalls einer Spannungsversorgung eine vorbestimmte definierte der Stellpositionen einnehmen kann.

Dabei ist gleichwohl sicherzustellen, dass die Aktorvorrichtung in den (mindestens) zwei Stellpositionen stromlos stabil verbleibt.

Die Aufgabe wird durch die bistabile elektromagnetische Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich Schutz im Rahmen der Erfindung wird beansprucht für eine Verwendung einer derartigen erfindungsgemäßen bistabilen elektromagnetischen Aktorvorrichtung zur Realisierung eines Magnetventils, bei welchem der Ankereinheit zugeordnete Verschlussmittel in den Stellpositionen einen Fluidfluss zwischen geeignet vorgesehenen Ventilein- bzw. Ventilauslässen öffnen oder unterbrechen.

In erfindungemäß vorteilhafter Weise sind den Spulenmitteln Ausfallansteuermittel zugeordnet, die erfindungsgemäß so ausgestaltet sind, dass diese ein bevorzugt (einmal-)impulsförmiges Ausfallbestromungssignal für die Spulenmittel erzeugen, wenn ein Ausfall einer Versorgungsspannungsquelle detektiert wird. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine Detektoreinheit der Ausfallansteuermittel, welche zum Erfassen eines Spannungspegels der Versorgungsspannungsquelle oder eines Spannungspegels des Versorgungsspannungssignals ausgebildet ist. Zusätzlich weisen die Ausfallansteuermittel elektrische Energiespeichermittel auf, welche von der Versorgungsspannungsquelle (welche im Rahmen der Erfindung insbesondere auch als abstrakter Spannungsanschluss für eine externe Versorgungsquelle, etwa ein Batterie- oder Netzanschluss, verstanden werden kann) unabhängig ist bzw. auch zusätzlich zu dieser Versorgungsspannungsquelle vorgesehen ist. Erfindungsgemäß sind die Ausfallansteuermittel nunmehr so ausgebildet, dass als Reaktion auf ein Erfassen des Spannungspegels durch die Detektoreinheit unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts im Hinblick auf die Versorgungsspannung oder das Versorgungsspannungssignal die Ausfallsteuermittel die in den elektrischen Energiespeichermitteln gespeicherte elektrische Energie nutzen, um das Ausfallbestromungssignal für die Spulenmittel zu erzeugen, wodurch dann die Ankereinheit in die vorbestimmte Stellposition verbracht wird. Dabei ist die Detektoreinheit insbesondere auch in der Lage, einen Ausfall der Versorgungsspannung zu detektieren, nämlich dann, wenn dieser einen Nullpegel einnimmt.

Vorteilhaft und weiterbildend sind die elektrischen Energiespeichermittel dabei als elektrischer Kondensator und/oder als Pufferbatterie so ausgestaltet und dimensioniert, dass die darin gespeicherte elektrische Energie ausreichend ist, um vollständig und betriebssicher, insbesondere auch unter Berücksichtung von elektrischen Verlusten, das erfindungsgemäße Verbringen der Ankereinheit in die vorbestimmte (fail safe) Stellposition zu bewirken. Dabei ist es wiederum besonders bevorzugt, diese Energiespeichermittel unmittelbar in einem Gehäuse der Aktorvorrichtung vorzusehen, so dass, zusammen mit geeigneter Detektorelektronik zur Realisierung der Detektoreinheit sowie weitergehender Elektronik, eine kompakte Einheit geschaffen ist, welche in eine Aktorvorrichtung (bzw. ein vorteilhaft damit zu realisierendes Magnetventil) vollständig die erfindungsgemäße Ausfallsteuertechnologie integriert, eingeschlossen der Energiespeichermittel. Diese sind zudem weiterbildend und vorteilhaft so beschaltet, dass diese, wiederum etwa für das relevante Szenario eines vollständigen Ausfalls einer Versorgungsspannung, eine ggf. notwendige Detektorelektronik bzw. Ausfallsteuerelektronik mit ausreichender Versorgungsspannung versehen kann, so dass auch diese (zusätzlich benötigte) Energie bei der Dimensionierung der elektrischen Energiespeichermittel zu berücksichtigen ist. Dabei ist es einerseits möglich und sinnvoll, diese elektronischen Schaltungen in Form gängiger Passivnetzwerke zu realisieren; darüber hinaus gehende Funktionalitäten, etwa auch eine erfindungsgemäße Signal- oder Alarmgabe, könnte es gar sinnvoll erscheinen lassen, eine Mikrocontrollereinheit od. dgl. programmierbare Einheit zur Realisierung der Ausfallansteuermittel, eingeschlossen der Detektoreinheit, vorzusehen, wobei hier dann ohnehin bereits A-D-Wandler od. dgl. Schnittstelleneinheiten für eine Spannungsdetektion und geeignete Digitalisierung vorhanden sind.

Während es im Rahmen der vorliegenden Erfindung prinzipiell möglich ist, beliebige Technologien zur Realisierung der erfindungsgemäßen Bistabilität vorzusehen, ist es gleichwohl bevorzugt, entweder diese Bistabilität durch mechanische Mittel, etwa eine geeignete Verrastung o. dgl., einzurichten, ergänzend oder alternativ ist es andererseits möglich, in bereits aus der gattungsgemäßen Technologie bekannten Weise der Ankereinheit (wiederum alternativ auch an einem umgebenen Gehäuse an den jeweiligen Stellpositionen) Permanentmagnetmittel so vorzusehen, dass die Ankereinheit – stromlos stabil – an der ersten bzw. zweiten Stellposition haftet. Wiederum geeignet alternativ bzw. weiterbildend könnte eine besondere Realisierungsform der Erfindung vorsehen, die Permanentmagnetmittel so mit einem magnetisierbaren bzw. entmagnetisierbaren Material (z. B. AlNiCo) auszugestalten, dass diese Permanentmagnetmittel durch einen Stromfluss, wiederum bevorzugt durch einen erfindungsgemäß mittels der Energiespeichermittel erzeugten Stromfluss, erfindungsgemäß magnetisiert, ummagnetisiert oder entmagnetisiert werden können, so dass auf diese Weise die erfindungsgemäße Funktionalität realisierbar ist.

Während zwar im Rahmen der vorliegenden Erfindung es prinzipiell möglich ist, etwa zum Zweck einer Dynamik- oder Kraftbeeinflussung des Schaltverhaltens der Ankereinheit auch Kraftspeichermittel, etwa in Form von ansonsten bekannten Federn, zuzuordnen, sieht gleichwohl eine bevorzugte Realisierungsform der Erfindung vor, auf derartige, die Ankereinheit mechanisch vorspannende Kraftspeichermittel vorteilhaft zu verzichten.

Damit ermöglicht es die vorliegende Erfindung, nahezu beliebige Aktorfunktionalitäten stromlos bistabil, gleichwohl mit einer vorbestimmten, für einen Versorgungsspannungsausfall vorgesehenen und definierten Stellposition auszugestalten. Allerdings ist es im Rahmen bevorzugter Verwendungen der Erfindung vorgesehen und günstig, ein Elektromagnetventil mittels einer derartigen erfindungsgemäßen Aktortechnologie zu realisieren, bei welchem etwa dann der Ankereinheit Ventil-Verschlussmittel so zugeordnet sind, dass diese in ansonsten bekannter Weise einen Fluidfluss zwischen geeigneten Ventil-Ein- bzw. Ventilauslässen schalten oder steuern können. Damit lassen sich dann insbesondere die eingangs beschriebenen sensiblen Anwendungskontexte, etwa ein Kreislauf für ein Kühlfluid für industrielle oder Fahrzeugmotoren, so mit einer fail-safe-Technologie versehen, dass stets ein zuverlässiger Kühlmittelfluss sichergestellt ist, auch wenn durch einen Versorgungsspannungsausfall oder vergleichbare Störungszustände ein ordnungsgemäßer Ventil-Schaltbetrieb nicht (mehr) möglich ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der einzigen Figur; diese zeigt in

1 ein schematisches Schaltbild der bistabilen elektromagnetischen Aktorvorrichtung zur Realisierung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Eine schematisch mit zwei Wicklungssträngen 10, 12 von Spulenmitteln 14 versehener Aktor (angedeutet durch die ein Aktorgehäuse symbolisierende gestrichelte Umrandung 16, weitergehende Aggregate, wie etwa die Ankereinheit sowie ein stationärer Kern, sind nicht gezeigt) wird über eine Versorgungsspannungsquelle 18 mit einer Versorgungsspannung versorgt. Im Fall einer Fahrzeuganwendung handelt es sich bei der Versorgungsspannungsquelle etwa um ein Kraftfahrzeug – Bordnetz, wobei die Ansteuerung der Spulen 10, 12 mittels einer ansonsten bekannten und vorliegend nicht im Detail gezeigten Ansteuereinheit 20 erfolgt. Im dargestellten Beispiel können die Spulen 10, 12 abwechselnd bzw. mit umgekehrter Polarität mit einem Bestromungssignal versehen werden, um die (nicht gezeigte) Ankereinheit des Aktors 16 zwischen zwei endseitigen Stellpositionen umzuschalten.

Wie das Schemadiagramm der 1 zusätzlich erläutert, ist einem Anschluss der Versorgungsspannung 18 eine elektronische Überwachungsschaltung 22 zugeordnet, welche Schwellwertmittel dergestalt aufweist, dass bei Unterschreiten eines vorbestimmten, einer Mindestversorgungsspannung entsprechenden Spannungsschwellwerts ein Signal dieser Detektoreinheit 22 so erzeugt wird, dass damit eine in einer als Kondensator gespeicherten Energiespeichereinheit 24 vorgehaltene Ladung auf den der Spule 10 zugeordneten Schaltungszweig gebracht wird. Dies wird bewirkt durch eine (z. B. mittels eines Relais oder eines elektronischen Schalters realisierte) Umschalteinheit 26, welche das Detektorsignal der Detektoreinheit 22 (Spannungsüberwachung) empfängt und den Kondensator 24 aus seiner in 1 gezeigten Lade- und Ruheposition (nämlich verbunden mit der Versorgungsspannungsquelle 18) umschaltend mit dem Spannungszweig 10 verbindet, so dass durch Entladung des Kondensators 24 über die Spule 10 entsprechend deren Konfiguration und Beschaltung die Ankereinheit in die vorgesehene der Stellpositionen verbracht werden kann – dabei würde dann, wenn sich die Ankereinheit im Detektionsfall bereits in der für den fail-safe-Modus vorgesehenen Position befindet, die Kondensatorladung ohne weitere Bewegung abfließen, während im Fall einer nicht dem fail-safe entsprechenden Stellposition in der beschriebenen Weise die Kondensatorladung (bzw. die Kondensatorkapazität) 24 so bemessen ist, dass in jedem Fall eine für die Ankerbewegung ausreichende elektrische Energie angelegt wird, fließt und die Stellbewegung bewirkt.

Wie zudem die gestrichelte Umrisslinie 16 in der Schemadarstellung der 1 verdeutlicht, ist sowohl die den Funktionseinheiten 22, 26 entsprechende Elektronik mit zugeordneten Bauteilen, als auch die Energiespeichereinheit 24 so dimensioniert und geometrisch angeordnet, dass diese Einheiten zusammen mit den weiteren Baugruppen der Ankereinheit in einem gemeinsamen Aktorgehäuse vorgesehen sein können. Im Fall eines üblichen zylindrischen Aktorgehäuses, etwa für eine Rotationssymmetrische Aktorvorrichtung, würde es sich daher dann anbieten, eine entsprechende ring- bzw. kreisförmige Ausgestaltung für eine Leiterplatte für die Elektronikbauelemente bzw. für die Kondensatormittel vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung ist weder auf das gezeigte Ausführungsbeispiel, noch den bevorzugten Einsatz des gezeigten Aktors im Rahmen eines Magnetventils beschränkt. Vielmehr sind nahezu beliebige alternative Ausgestaltungen und Verwendungen denkbar und möglich.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 20114466 U1 [0001, 0006]