AT512065A1

AT512065A1 - Bistabiler schaltmagnet mit kolbenpositionsdetektor

Info

Publication number: AT512065A1
Application number: AT15832011A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Schoener; Ewald Lampl
Original assignee: Msg Mechatronic Systems Gmbh
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-05-15
Also published as: EP2587496A1; EP2587496B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bistabilen Schaltmagneten (1; 12) mit einer Erregerspule (10) und einem, gegenüber der Erregerspule (10) durch einen Schaltstrom in der Erregerspule (10) in eine erste Schaltposition und eine zweite Schaltposition, verstellbaren Kolben (4) und mit einem Kolbenpositionsdetektor zur Detektion, ob der Kolben (4) in seine erste oder seine zweite Schaltposition verstellt ist, wobei der Kolbenpositionsdetektor durch zumindest einen eine magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis erzeugenden Permanentmagneten (8; 13) und einen im Bereich des magnetischen Kreises angeordneten Magnetfeldsensor (11) gebildet ist, die beide im Bezug auf die Erregerspule (10) unverstellbar befestigt in dem Schaltmagneten (1; 12) vorgesehen sind, und wobei der Kolbenpositionsdetektor Auswertemittel aufweist, die zur Detektion der Kolbenposition die von dem Magnetfeldsensor (11) gemessene, von der Schaltposition des Kolbens (4) abhängige magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis auswerten.

Description

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Bistabiler Schaltmagnet mit Kolbenpositionsdetektor

Die Erfindung betrifft einen bistabilen Schaltmagneten mit einer Erregerspule und einem, gegenüber der Erregerspule durch einen Schaltstrom in der Erregerspule in eine erste Schaltposition und eine zweite Schaltposition, verstellbaren Kolben und mit einem Kolbenpositionsdetektor zur Detektion, ob der Kolben in seine erste oder seine zweite Schaltposition verstellt ist. Der Kolben ist mit einem Dichtelement verbunden, welches den Durchfluss eines Mediums durch ein außerhalb des Schaltmagneten angeordnetes Ventil je nach Kolbenposition freigibt oder unterbricht.

Das Dokument EP 2 164 081 A2 offenbart so einen Schaltmagneten, bei dem der Kolbenpositionsdetektor durch zwei mechanische Kontakte gebildet ist. Je nach Schaltposition des Kolbens des Schaltmagneten wird entweder der eine oder der andere mechanische Kontakt geschlossen. Das Vorsehen von mechanischen Kontakten hat den Nachteil von zusätzlicher Reibung und einem mechanischen Verschleiß der Kontakte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Schaltmagneten mit Kolbenpositionsdetektor zu schaffen, bei dem die vorstehend angeführten Nachteile vermieden sind. Erfmdungsgemäß wird diese Aufgabestellung dadurch gelöst, dass der Kolbenpositionsdetektor durch zumindest einen eine magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis erzeugenden Permanentmagneten und einen im Bereich des magnetischen Kreises angeordneten Magnetfeldsensor gebildet ist, die beide im Bezug auf die Erregerspule unverstellbar befestigt in dem Schaltmagneten vorgesehen sind, und wobei der Kolbenpositionsdetektor Auswertemittel aufweist, die zur Detektion der Kolbenposition die von dem Magnetfeldsensor gemessene, von der Schaltposition des Kolbens abhängige magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis auswerten.

Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass die Detektion der aktuellen Position des Kolbens im Schaltmagneten berührungslos erfolgt. Da der Magnetfeldsensor nicht das von der Erregerspule nur zum Umschalten der Schaltposition des Kolbes erzeugte Magnetfeld, sondern das immer durch den Permanentmagneten vorhandene Magnetfeld detektiert, kann die Detektion der Kolbenposition immer dann erfolgen, wenn der Kolben eine seiner zwei möglichen Schaltpositionen eingenommen hat.

Es kann erwähnt werden, dass Positionsdetektoren bekannt sind, bei denen auf dem 2 2 « · • *·* · bewegten Teil (z.B. Verriegelungsbolzen oder Kolben) ein Permanentmagnet befestigt ist und mit einem stillstehenden Magnetfeldsensor detektiert wird, ob der Permanentmagnet nahe (z.B. erste Schaltposition) oder weit entfernt (z.B. zweite Schaltposition) von dem Magnetfeldsensor entfernt ist. Erfindungsgemäß kann auf diesen für den Positionsdetektor zusätzlichen Permanentmagneten auf dem bewegten Teil (Kolben des Schaltmagenten) verzichtet werden, da das Magnetfeld des Permanentmagneten zur Positionsdetektion ausgenutzt wird, der zum Halten des Kolbens in seiner zweiten Schaltposition vorgesehen ist. Hierdurch können Kosten bei der Herstellung des Schaltmagneten eingespart werden. Besonders vorteilhaft ist, dass der Kolben ohne einem auf dem Kolben befestigten Permanentmagneten leichter und beweglicher ausgefiihrt werden kann, was sowohl bezüglich der Schaltgeschwindigkeit als auch für die zum Schalten nötige Stromstärke des Schaltstroms vorteilhaft ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen bistabilen Schaltmagneten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 2 zeigt die von dem Hallsensor des Schaltmagneten gemäß Figur 1 gemessene magnetische Flussdichte in Abhängigkeit der Schaltposition des Kolbens.

Figur 3 zeigt einen bistabilen Schaltmagneten gemäß einem zweiten Ausftihrungsbeispiel, bei dem ein zweiter Permanentmagnet vorgesehen ist.

Figur 1 zeigt einen bistabilen Schaltmagneten 1 als Teil eines bistabilen Membranventils, das gemäß diesem Beispiel zum Absperren oder Freigeben einer Wasserleitung eines Autos ausgebildet ist. Das Wasser wird dem Membranventil in ein Volumen zugefuhrt und über ein weiteres Volumen von dem Membranventil wieder abgegeben. Der Schaltmagnet 1 weist einen Kolben 4 auf, der in Figur 1 in seiner ersten Schaltposition dargestellt ist. In dieser ersten Schaltposition drückt eine Feder 5 einen Anschlagring 6 mit einer Federkraft FK in Richtung R gegen eine Anschlagfläche 7 des Gehäuses des Schaltmagneten 1. In dieser Schaltposition sind das Volumen und das weitere Volumen miteinander verbunden und es ist der Wasserfluss in der Leitung von dem Membranventil freigegeben. Der Kolben 4 ist gegen die Federkraft FK entgegen der Richtung R in eine zweite Schaitposition verschiebbar. In dieser zweiten Schaltposition dichtet ein in den Figuren nicht dargestelltes Dichtelement das Volumen gegen das weitere Volumen ab, weshalb der Wasserfluss in der Leitung unterbrochen ist. Erfindungsgemäße Schaltmagnete sind für eine Vielzahl anderer Anwendungsbeispiele verwendbar, auf die in dieser Beschreibung nicht näher eingegangen ist.

Der Schaltmagnet 1 ist bistabil ausgebxldet, weshalb der Kolben 4 entweder in seiner ersten Schaltposition oder in seiner zweiten Schaltposition gehalten positioniert ist. Die Feder 5 hält den Kolben 4 mit der Federkraft FK in seiner ersten Schaltposition. Der Schaltmagnet 1 weist weiters einen Permanentmagneten 8 auf, der über einen Polkem 9 eine magnetische Anziehungskraft MK entgegen der Richtung R auf den Kolben 4 ausübt. Wenn der Kolben 4 in seiner ersten Schaltposition verstellt ist, dann ist die magnetische Anziehungskraft MK zu schwach, um den Kolben 4 von seiner ersten Schaltposition in seine zweite Schaltposition zu verstellen. Wenn der Kolben 4 in seine zweite Schaltposition verstellt ist, dann ist die Federkraft FK zu schwach, um den Kolben 4 von seiner zweiten Schaltposition in seine erste Schaltposition zu verstellen.

Der Schaltmagnet 1 weist nunmehr weiters eine Erregerspule 10 auf, in die ein Schaltstrom (Gleichstrom) mit einer ersten Polung eingespeist werden kann, um den Kolben 4 von seiner ersten Schaltposition in seine zweite Schaltposition zu verstellen, und in die ein Schaltstrom mit einer zweiten Polung eingespeist werden kann, um den Kolben 4 von seiner zweiten Schaltposition in seine erste Schaltposition zu verstellen.

Der Schaltmagnet 1 weist weiters einen Kolbenpositionsdetektor zur Detektion auf, ob der Kolben in seine erste oder seine zweite Schaltposition verstellt ist. Anhand dieser Information von dem Kolbenpositionsdetektor kann beispielsweise die KFZ-Elektronik den Schaltzustand des Kolbens 4 überprüfen und bei Abweichungen vom Soll-Zustand entsprechende Maßnahmen einleiten. Der Kolbenpositionsdetektor umfasst einen Hallsensor 11, den Permanentmagneten 8 und Auswertemittel, die in der Figur 1 nicht näher dargestellt sind.

In dem Schaltmagneten 1 bildet sich ein magnetischer Kreis aus, über den der magnetische Fluss des Permanentmagneten 8 von dem Permanentmagneten 8 über den Polkem 9, den Kolben 4 und den Luftspalt zwischen dem Kolben 4 und dem Polkem 9 oder dem Gehäuse,

über das Gehäuse des Schaltmagneten 1 zum Permanentmagneten 8 geleitet wird. Sobald ein Schaltstrom in die Erregerspule 10 eingeprägt wird überlagert sich der magnetische Fluss der Erregerspule dem magnetischen Fluss des Permanentmagneten 8, wodurch der Kolben 4 zwischen seinen beiden Schaltpositionen verstellt wird.

Der Hallsensor 11 ist nunmehr zwischen Kolben 4 und dem Gehäuse im Bereich des magnetischen Kreises angebracht, weshalb der Hallsensor 11 die magnetische Flussdichte in dem magnetischen Kreis misst. In der Figur 2 ist eine Messkennlinie M der von dem Hallsensor 11 gemessenen Flussdichte in Millitesla [mT] in Abhängigkeit der Länge in Millimeter [mm] des Luftspalts des Kolbens 4 zum Polkem 9 dargestellt. Wenn der Kolben 4 in seine, in der Figur 1 dargestellte, erste Schaltposition verstellt ist, dann ist die Länge des Luftspalts in diesem Ausfiihrungsbeispiel 3,5 mm und der Hallsensor 11 misst eine magnetische Flussdichte von etwa 5 mT. Wenn andererseits der Kolben 4 in seine zweite Schaltposition verstellt ist, dann ist die Länge des Luftspalts etwa 0 mm und der Hallsensor 11 misst eine magnetische Flussdichte von etwa 24 mT. Diese Messwerte ergeben sich durch das Magnetfeld des Permanentmagneten 8 und sind von dessen Magnetfeldstärke und anderen Einflussfaktoren in dem magnetischen Kreis abhängig.

Auswertemittel des Kolbenpositionsdetektors sind nunmehr dazu ausgebildet zu detektieren, dass der Kolben 4 in seine erste Schaltposition verstellt ist, wenn die gemessene magnetische Flussdichte kleiner als ein unterer Schwellwert OS von 7 mT ist. Weiters detektieren die Auswertemittel des Kolbenpositionsdetektors, dass der Kolben 4 in seine zweite Schaltposition verstellt ist, wenn die gemessene magnetische Flussdichte größer als ein oberer Schwellwert US von 18 mT ist. Durch die Abhängigkeit des magnetischen Flusses im magnetischen Kreis von der Schaltposition des Kolbens 4 und der Anwendung des oberen Schwellwertes OS und unteren Schwellwertes US ist der Vorteil erhalten, dass der Kolbenpositionsdetektor berührungslos und ohne einen zusätzlichen Permanentmagneten die Schaltposition des Kolbes 4 detektieren kann. Die angegebenen Schwellwerte sind als Beispiel zu verstehen und sind von der jeweiligen Konstruktion des Schaltmagneten und der Magnetfeldstärke des Permanentmagneten abhängig.

Der Hallsensor 11 kann als Schwellwertschalter ausgebildet sein, der vorteilhafterweise hierdurch auch bereits die Auswertung der Auswertemittel übernimmt. Hierdurch kann somit auf gesonderte Auswertemittel verzichtet werden.

In Figur 3 ist ein Schaltmagnet 12 als zweites Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Schaltmagnet 12 weist denselben Aufbau wie der Schaltmagnet 1 auf, wobei zusätzlich ein zweiter Permanentmagnet 13 als Teil des Kolbenpositionsdetektors an der Seite des Hallsensors 11 am Kolben 4 befestigt ist. Der zweite Permanentmagnet 13 kann zur Beeinflussung der magnetischen Flussdichte am Magnetfeldsensor verwendet werden. Für einige Magnetfeldsensoren ist ein um den O-Punkt symmetrisches Signal vorteilhaft. In diesem Fall wird der zweite Permanentmagnet 13 umgekehrt gepolt wie der Permanentmagnet 8.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen für den Permanentmagneten 8 dem Fachmann aus anderen Fachgebieten bekannte NdFeB-Magnete zu verwenden. Diese NdFeB-Magnete zeichnen sich durch ihre große Magnetfeldstärke bei relativ geringem Volumen des Permanentmagneten aus.

Die Position des Hallsensors 11 unmittelbar neben dem in seiner ersten Schaltposition verstellten Kolben 4 hat sich aus konstruktiven Überlegungen als vorteilhaft erwiesen. Auch andere Positionen des Hallsensors 11 im Bereich des magnetischen Kreises oder des Streufeldes des Magnetkreises wären für die Messung der magnetischen Flussdichte im magnetischen Kreis möglich.

Es kann erwähnt werden, dass auch andere Magnetfeldsensoren zum Einsatz kommen könnten.

Es kann erwähnt werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Kolbenpositionsdetektor auch drei oder mehr Schaltpositionen des Kolbens detektiert werden könnten. Für jede zu detektierende Schaltposition müsste ein Schwellwert der magnetischen Flussdichte festgelegt werden, der der jeweiligen Länge des Luftspaltes zwischen Kolben 4 und Polkem 9 entspricht

Es kann erwähnt werden, dass der bistabile Schaltmagnet auch auf jeder Seite des Kolbens einen Permanentmagneten aufweisen könnte, wobei in diesem Fall die Feder 5 nicht notwendig wäre und jeder der Permanentmagneten den Kolben in einer der zwei Schaltpositionen halten würde. Weiters können dafür auch Anordnungen mit zwei Spulen und einen radialen Permanentmagneten zwischen den Spulen eingesetzt werden.

Gemäß einem in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung könnte der Schaltmagnet eine mit einem Datenbus verbindbare Ansteuerelektronik aufweisen, der

von dem Datenbus eine Schaltinformation zuführbar ist und die zum Auswerten der Schaltinformation und zum Abgeben des Schaltstroms an die Erregerspule ausgebildet ist. Als Datenbusprotokoll hat sich das Protokoll gemäß einem sogenannten LlN-Bus (Local Interconnected Network) bei Anwendungen im Automobilbereich als vorteilhaft erwiesen. Im Automobilbereich kann der bistabile Schaltmagnet auch in einem Schaltventil vorgesehen sein, mit dem beispielsweise die Wasser- oder Ölzufuhr geregelt wird. Hierdurch ist der Vorteil erhalten, dass eine ebenfalls mit dem LIN-Bus verbundene Steuereinheit eines Autos über nur eine Datenleitung die Schaltinformation an das bistabile Schaltventil abgeben kann, wodurch Kosten gespart werden können und eine digitale Verarbeitung ermöglicht ist. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass von den Auswertemitteln des Kolbepositionsdetektors eine Positionsinformation an die Ansteuerelektronik abgegeben werden kann, die zu bestimmten Zeiten (z.B. alle drei Sekunden) und/oder auf Anfrage der Steuereinheit des Autos die Positionsinformation über den Datenbus an die Steuereinheit abgibt. Hierdurch ist die Steuereinheit des Autos immer über die aktuelle Position des Kolbens des bistabilen Schaltventils informiert, wodurch die Fehlersuche in der Werkstatt wesentlich vereinfacht ist.

Es kann erwähnt werden, dass es für die Erfindung unerheblich ist an welcher Position im magnetischen Kreis der unverstellbar befestigte Permanentmagnet vorgesehen ist. Dies deshalb, da es für die Funktionsweise des Kolbenpositionsdetektors nur wichtig ist, dass eine magnetische Flussdichte in dem magnetischen Kreis vorhanden ist, deren Änderung der Kolbenpositionsdetektor detektieren kann. Hierdurch ist eine große konstruktive Freiheit bei der Konstruktion des Schaltmagneten gegeben.

Es kann erwähnt werden, dass der zweite Permanentmagnet 13 die magnetische Flussdichte des Permanentmagneten 8 abschwächend oder verstärkend gepolt sein kann. Die Polung als abschwächend hat sich in dem Ausfuhrungsbeispiel als vorteilhaft erwiesen.

Claims

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Patentansprüche 1. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) mit einer Erregerspule (10) und einem, gegenüber der Erregerspule (10) durch einen Schaltstrom in der Erregerspule (10) in eine erste Schaltposition und eine zweite Schaltposition, verstellbaren Kolben (4) und mit einem Kolbenpositionsdetektor zur Detektion, ob der Kolben (4) in seine erste oder seine zweite Schaltposition verstellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenpositionsdetektor durch zumindest einen eine magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis erzeugenden Permanentmagneten (8; 13) und einen im Bereich des magnetischen Kreises angeordneten Magnetfeldsensor (11) gebildet ist, die beide im Bezug auf die Erregerspule (10) unverstellbar befestigt in dem Schaltmagneten (1; 12) vorgesehen sind, und wobei der Kolbenpositionsdetektor Auswertemittel aufweist, die zur Detektion der Kolbenposition die von dem Magnetfeldsensor (11) gemessene, von der Schaltposition des Kolbens (4) abhängige magnetische Flussdichte im magnetischen Kreis auswerten.
2. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (5) vorgesehen ist, die den Kolben (4) in seine erste Schaltposition drückt, und dass der Permanentmagnet (8), entgegen der Federkraft (FK), den Kolben (4) in der zweiten Schaltposition hält, wobei der Kolben (4) durch den Schaltstrom, abhängig von seiner Polarität, in die erste Schaltposition und die zweite Schaltposition verstellbar ist.
3. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (8) durch einen NdFeB-Magnet gebildet ist,
4. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (11) unmittelbar neben dem in seine erste Schaltposition verstellten Kolben (4) vorgesehen ist.
5. Bistabiler Schaltmagnet (12) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im magnetischen Kreis, in unmittelbarer Nähe und insbesondere zwischen dem in seine erste Schaltposition verstellen Kolben (4) und dem Magnetfeldsensor (11) ein zweiter Permanentmagnet (13) am Kolben (4) und insbesondere im Kolben befestigt vorgesehen ist.
6. Bistabiler Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (11) durch einen Hallsensor gebildet ist, der als linearer Hallsensor oder als Schwellwertschalter ausgebildet ist.
7. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor zur Detektion der axialen Komponente des magnetischen Flusses angeordnet ist.
8. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor außerhalb der Achse des Schaltmagneten zur Detektion der axialen und/oder radialen Komponente des magnetischen Flusses angeordnet ist.
9. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem Datenbus verbindbare Ansteuerelektronik vorgesehen ist, der von dem Datenbus eine Schaltinformation zufÜhrbar ist und die zum Auswerten der Schaltinformation und zum Abgeben des Schaltstroms an die Erregerspule ausgebildet ist.
10. Bistabiler Schaltmagnet gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenbus durch einen LIN-Bus gebildet ist.
11. Bistabiler Schaltmagnet gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass von den Auswertemitteln des Kolbepositionsdetektors eine Positionsinformation an die Ansteuerelektronik abgebbar ist, die zu bestimmten Zeiten und/oder auf Anfrage zum Abgeben der Positionsinformation über den Datenbus ausgebildet ist.
12. Bistabiles Schaltventil zum Öffnen oder Schießen der Verbindung zwischen einem ersten Volumen und einem zweiten Volumen, dadurch gekennzeichnet, dass der bistabile Schaltmagnet (1; 12) gemäß einem der vorherigen Ansprüche vorgesehen ist und, dass der Kolben (4) mit einem Dichtelement verbunden ist, das in der ersten oder in der zweiten Schaltposition des Kolbens (4) ein erstes Volumen im Gehäuse des Schaltventils gegenüber einem zweiten Volumen in dem Gehäuse des Schaltventils abdichtet, wobei die beiden Volumina in der zweiten bzw. der ersten Schaltposition des Kolbens (4) miteinander verbunden sind.