本发明涉及一种用于确定能够电磁操纵的阀的衔铁行程的方法以及一种用于制造这种阀的方法。
背景技术：
在现代的快速开关的电磁阀中，例如其在柴油喷射阀中所使用的那样，为了该阀的最佳功能，需要准确了解或调节衔铁行程。该衔铁行程应该处于下阈值与上阈值之间。如果衔铁行程太小，则会导致阀阻塞。如果衔铁行程太大，则增强地产生关闭回跳。
由de102012206484a1和de102013223121a1已知具有用于衔铁行程的测量系统的电磁燃料喷射器。所述测量系统分别借助附加的传输元件将衔铁的往复运动传输至测量装置。
技术实现要素：
在本发明的范畴内，已经研发一种用于制造能够电磁操纵的阀的方法，该阀由电磁体、能够通过电磁体运动的衔铁以及阀体构成。阀体包含用于将衔铁的运动转换成阀的打开或关闭的装置。电磁体和衔铁被置于阀体中。
根据本发明，在将电磁体置于阀体中之前，记录电磁体与贴靠在该电磁体上的测试衔铁的组合的磁滞曲线。求取磁滞曲线在非饱和状态中的基本上线性的第一曲线区段的斜率m1。在此，测试衔铁优选具有与阀的衔铁相同的尺寸和相同的磁特性。
由斜率m1求取安装完成的阀的磁滞曲线的与所述第一曲线区段对应的曲线区段的斜率m1*，该安装完成的阀具有持续贴靠在电磁体上的衔铁。
电磁体和衔铁共同构成磁通为ψ的磁路，该磁通例如可以直接通过附加的测量线圈确定，或间接地通过在电磁体中感应出的电压uind＝uk-i·r的时间上的积分确定。在此，uk是电磁体上的端电压，i是通过电磁体的电流，r是电磁体的欧姆电阻。电磁体的欧姆电阻r例如可以在电流i恒定的阶段中根据r＝uk/i确定。
典型的铁磁滞回线示出磁通ψ与通过电磁体的电流i的关系ψ(i)，因为至少在电磁体的铁磁芯中以及也在铁磁衔铁中分别存储有磁能。如果由于衔铁从电磁体下落到静止位置中导致在衔铁与电磁体之间形成空气隙，则该空气隙也包含磁能值δe，该磁能值取决于空气隙的宽度并且因此取决于所寻求的衔铁行程ah。该能量值δe反映在铁磁滞曲线的变化中，并且因此可以由无空气隙情况下所测量的磁滞曲线与有空气隙情况下所测量的磁滞曲线的比较中分析处理。
然而一旦该阀安装完成，则无法再测量具有持续贴靠在电磁体上的衔铁下磁路的完整磁滞曲线。尤其在磁滞曲线的代表电磁体的非饱和状态并且其中磁通ψ基本上与电流i线性相关的曲线区段中，阀的回复力(例如可以是弹簧力)超过将衔铁吸引到电磁体上的磁力。因此，衔铁返回其静止位置中，并且真正待研究的状态——衔铁贴靠在电磁体上——消失。为了在该状态中记录磁滞曲线，需要使衔铁抵抗回复力机械地固定在电磁体处。为此，衔铁在阀的安装完成的状态中不再能够触及。
发明人已经看出，至少可以近似地提供具有持续贴靠在电磁体上的衔铁的磁滞曲线的如下曲线区段：该曲线区段代表电磁体的非饱和状态并且其中磁通ψ与电流i基本上线性相关，其方式是：在将电磁体安装到阀中之前施加到测试衔铁处，并且借助该测试衔铁测量磁滞曲线。该曲线区段基本上通过斜率m1表征。由此可以以不同方式求取安装完成的阀的磁滞曲线的对应曲线区段的斜率m1*，该安装完成的阀具有持续贴靠在电磁体上的衔铁，所述斜率不再能够由直接测量触及。就此而言，在安装阀之前获得的斜率m1涉及非常重要的参考值，该参考值在安装阀之后能够以特别简单和清楚的方式实现阀的衔铁行程ah的测量。
如果在阀的安装完成的状态中经过磁滞曲线的代表电磁体的非饱和状态的曲线区段，则该曲线区段具有小于斜率m1*的斜率m0。其原因在于，由于衔铁从电磁体下落已经形成空气隙，并且将能量值δe存储在该空气隙中。由斜率为m0或m1*的对应曲线区段之间的面积可以分析处理能量值δe，并且因此最后分析处理所寻求的衔铁行程ah。能量值δe由以下给出：
并且由此得出衔铁行程ah：
在此，n是电磁体的线圈的匝数。μ0是真空的磁导率。a1和a2是空气隙的截面积，所述截面积与该空气隙的宽度、即与衔铁行程ah无关。
因此，在安装阀之前将m1存储为参考值并且接下来由m1确定m1*能够实现，通过由另一磁滞曲线求取m0来确定安装完成的阀处的衔铁行程ah。为清楚起见，以下将在阀的安装完成的状态中记录的磁路的磁滞曲线称为“阀的磁滞曲线”。
在本发明的一种特别有利的构型中，通过预给定的第一函数关系由斜率m1求取斜率m1*。在最简单的近似中，例如可以假设m1*与m1相同。该近似对于多种应用来说已经足够准确。然而，现在例如如果阀体和/或用于将衔铁的运动转换成阀的打开或关闭的装置包含铁磁性材料，则这些材料会影响磁路的磁通ψ，并且因此也影响m1*。可以有利地按照如下方式使第一函数关系精细，使得考虑该影响。m1*被确定得越准确，则由此可以越准确地确定衔铁行程ah。
在本发明的一种特别有利的构型中，为了求取对于至少一个安装完成的阀的第一函数关系，将衔铁固定在电磁体处，并且在该状态中记录磁滞曲线。该阀涉及一种特定的测试样本或参数样本(bedatungsexemplar)，该阀在如下方面与批量制造的阀不同：衔铁行程ah始终等于零并且该阀无法被开关。除了所述不同以外，该阀的磁性表现与批量制造的阀完全一样。理想地，在安装之前在阀的磁路处记录第一磁滞曲线并且由此确定m1，在将该磁路安装到阀中之后记录第二磁滞曲线并且由此确定m1*。
然而，例如也可以通过如下方式由斜率m1获得斜率m1*：借助数学方法、例如有限元法来计算阀中的其他铁磁性材料对由电磁体和衔铁构成的磁路的影响。
为此替代地或组合地，也可以通过比较在安装阀之前求取的其他参量的参考值与在安装阀之后求取的这些参量的值来使m1*精细。
因此，在本发明的另一特别有利的构型中，在将电磁体置于阀体中之前，附加地在饱和状态中求取对于电磁体与测试衔铁的组合记录的磁滞曲线的第二线性曲线区段的斜率m2。此外，有利地附加求取电流值i0，在该电流值的情况下，第二曲线区段至电流轴线i的线性延长线与电流轴线i相交。
这两个参量也能够在安装完成的阀处从测量中获得，因为在电磁体的饱和状态中，衔铁被吸引到电磁体处，使得磁路就此而言处于与对于由电磁体与测试衔铁的组合的参考测量情况下相同的状态中。
为了在安装阀之后得到与m2对应的比较值，有利地，在安装阀之后记录阀的另一磁滞曲线。求取所述另一磁滞曲线的基本上线性的第二曲线区段的斜率m3，该曲线区段代表饱和状态。所述第二曲线区段对应于在安装阀之前对于由电磁体与测试衔铁的组合测量的磁滞曲线的第二曲线区段。
为了进一步在安装阀之前得到与i0对应的比较值，有利地，进一步附加地求取电流值i1，其中，第二曲线区段至电流轴线i的线性延长线与电流轴线i相交。发明人已经看出，电流值i1与电流值i0的比较提供对阀中所使用的构件的磁特性的附加的质量管理可能性。尤其可以监控：衔铁、和/或衔铁与电磁体之间布置的剩余气隙盘(rlss)是否相应于期望的规范。电流值i1与电流值i0的大偏差可以指出与此相关的标准偏差，或指出剩余气隙盘至衔铁和/或至电磁体的接通面处的不期望的颗粒形成。
因此，在本发明的另一特别有利的构型中，求取电流值i1与电流值i0之间的数量上的差δi，如果该数量上的差超过预给定的阈值，则将该阀分类为故障的。
在本发明的一种特别有利的构型中，由斜率m1和m2求取斜率m1与m2之间的相关性和/或第二函数关系。第二函数关系有利地将比例m2/m1置于与电流值i0的线性关系中。对于该函数关系，例如可以借助两个参数k0和k1建立如下形式的参数化方程：
发明人已经在电磁体的系列研究中看出，虽然m1、m2和i0自身受到样本分散的影响。然而，在名义上具有相同几何形状的一批电磁体——该电磁体已经以名义上相同的方式被制造——内部，m1、m2和i0之间的相关性能够根据具有相同的参数k0和k1的公式(3)以良好的近似有效。对参数k0和k1有影响的最重要的制造参数是：为了制造电磁体的磁芯使用的磁粉、磁芯的受压密度以及可能的热处理。
因此，一种用于使原始近似精细的方案(使得安装阀之前求取的参考值m1也能够在安装阀之后不变地作为斜率m1*使用)在于：在根据公式(1)和(2)分析处理能量值δe和衔铁行程ah时不直接使用参考值m1，而是借助m1与m2之间的第二函数关系确定m1*，而且也可选地确定i0。如果为此例如根据等式(3)建立所述方案，则通过参数k0和k1来表征函数关系。
例如可以使用在安装阀之前获得的参数k0和k1，其方式是：对于安装完成的阀求取磁滞曲线的代表饱和状态的曲线区段的斜率m3，并且将该斜率作为m2置于公式(3)中。根据
则能够在阀的安装完成的状态中获得m1*的精细的近似值，与在安装阀之前对于由电磁体与测试衔铁的组合求取的参考值m1相比，该近似值更接近于不再能够直接从测量中获得的值。
与对于安装完成的阀在衔铁的下落状态中获得的m0的值相结合，可以使用m1*的精细的近似值，以便根据公式(1)和(2)分析处理能量值δe并且最后分析处理衔铁行程ah。
在本发明的另一特别有利的构型中，将斜率m1、斜率m2以及斜率m1*、和/或第一函数关系、和/或第二函数关系、和/或斜率m1与m2之间的相关性记录在电磁体上和/或记录在与该电磁体连接的机器可读的信息载体上，和/或在数据库中单义地与电磁体相关联。在此，所述函数关系尤其可以根据公式(3)通过参数k0与k1代表。电磁体的批量制造可以特别简单地与能够电磁操纵的阀的批量制造解耦。例如一个工厂可以给多个其他工厂预先生产电磁体，这些其他工厂由此制造不同类型的能够电磁操纵的阀。机器可读的信息载体例如可以包含数据矩阵代码、例如qr码。
在本发明的另一特别有利的构型中，可以简化电磁体的制造方面与阀的制造方面的解耦，其方式是：根据斜率m1和/或m2的值，和/或根据斜率m1与m2之间的函数关系和/或相关性来对多个电磁体进行分类。例如可以借助公式(3)中的参数k0和k1来对函数关系进行分类。该分类使电磁体的参考值的准确性离散化、却加速批量制造，因为可以分别以相同的形式进一步处理一种类型的电磁体，并且不再需要关注磁体个性化的参考值。此外，可以从一开始就将根据规范配属于较小类型的显眼电磁体作为废品剔除。
根据上文，本发明也涉及一种用于确定能够电磁操纵的阀处的衔铁行程ah的方法。该阀包括电磁体、能够通过电磁体运动的衔铁以及优选包括如下阀体，在该阀体内部布置有电磁体、衔铁以及用于将衔铁的运动转换成阀的打开或关闭的装置。为了确定衔铁行程ah记录阀的磁滞曲线，并且在非饱和状态中确定阀的磁滞曲线的第一线性曲线区段的第一斜率m0。在该状态中，衔铁由于在阀中起作用的回复力而从电磁体下落，使得在衔铁与电磁体之间存在空气隙。
根据本发明，为了确定衔铁行程ah，由第一斜率m0与另一磁滞曲线的与所述磁滞曲线的第一曲线区段对应的基本上线性的第一曲线区段的第二斜率m1*之间的差分析处理空气隙中的磁能δe，所述另一磁滞曲线是阀在将衔铁固定在电磁体上的情况下所具有的。在此，为了求取第二斜率m1*，尤其可以考虑在将电磁体置于阀体之前求取的对于该斜率m1*的至少一个参考值m1。该参考值m1尤其可以在之前所描述的制造方法的范畴内已经获得。
为了求取m1*，在考虑参考值m1的情况下，例如可以使用结合制造方法所公开的方法。
在本发明的另一特别有利的构型中，由阀的磁滞曲线的饱和状态中的第二线性曲线区段的斜率m3，结合另一磁滞曲线的曲线区段的斜率m1、m2之间的函数关系和/或相关性来求取第二斜率m1。在此，也可以在将电磁体置于阀体中之前求取所述相关性或函数关系并且存储为参考值。
所述函数关系例如可以根据公式(3)以参数k0和k1的形式被存储。
制造方法与测量方法协同工作，以便能够在最终效果中实现衔铁行程ah的准确确定，借助该制造方法在安装阀之前在电磁体处获得并且存储一个或多个参考值，借助该测量方法在安装阀之后有利地在使用所述参考值的情况下通过衔铁与电磁体之间的空气隙中的磁能δe分析处理衔铁行程ah。有利地，通过对于所有所使用的电磁体(磁体组)组的磁滞曲线的严密测量并且通过对在测量中所获得的参考值的存储，将所使用的构件的批次差异对所确定的衔铁行程ah的准确性的影响最小化。根据本发明确定的衔铁行程ah尤其可以有利地用作反馈，以便在制造用于燃料喷射器的能够电磁操纵的阀的情况下，在工厂方面精确调节并且在连续运行中监控衔铁行程。
以下与借助附图对本发明的优选实施例的描述一起进一步示出改善本发明的其他措施。
附图说明
图1示出能够电磁操纵的阀1的示意图(图1a)以及由电磁体2、2a、2b和测试衔铁3a构成的组合6的示意图(图1b)；
图2示出在组合6处测量的磁滞曲线10的一个局部；
图3示出在安装完成的阀1处测量的磁滞曲线20的一个局部；
图4示出在电磁体2的系列研究中求取的斜率比例m2/m1与电流值i0之间的函数关系8；
图5示出阀1的完整磁滞曲线20；
图6示出电磁体2之间的样本分散对由电磁体2和测试衔铁3a构成的组合6的磁滞曲线10的示例性影响。
具体实施方式
根据图1a，在此示例性作为二位二通阀示出的阀1包括具有入口1a和出口1b的阀体5。阀1对入口1a与出口1b之间的介质流动进行开关。为此目的，在阀体5内部布置有电磁体2，该电磁体由铁磁性磁芯2a和缠绕在该铁磁性磁芯2a上的线圈2b构成。在电磁体2上施加有机器可读的信息载体7，该信息载体包含具有参考值的二维码。在将电磁体2置于阀体5中之前，已经对于电磁体2与测试衔铁3a的组合6测量所述参考值。
在阀1中，衔铁3相对于电磁体2如此布置，使得电磁体2可以吸引衔铁3。通过耦合机构4a，使阀1的执行器4c抵抗由阀弹簧4b施加的回复力从图1a中示出的开关位置(其中，阀1关闭)转变到图1a中未示出的开关位置(其中，阀1打开)中。耦合机构4a、阀弹簧4b和执行器4c共同构成装置4，该装置将衔铁3的运动转换成阀1的打开或关闭。
在图1a中示出的阀1的关闭的开关位置中，在衔铁3与电磁体2之间存在空气隙9。如果相反地，衔铁3被吸引到电磁体2处，则该空气隙9消失。在关闭的开关位置中(其中，衔铁3从电磁体2下落)，空气隙9的宽度相应于阀1的衔铁行程ah。
电磁体2和衔铁3共同构成由磁通ψ穿过的磁路。在图1a中示例性标出该磁通ψ的两个流动线。
图1b示出由电磁体2和测试衔铁3a构成的组合6，在该组合处，至少求取磁滞曲线10的非饱和状态中的曲线区段11的斜率m1作为参考值。即使电磁体2的线圈2b未通电，也借助在图1b中未示出的装置使测试衔铁3a保持与电磁体2的磁芯2a接通。
图2示出已经对于由电磁体2和测试衔铁3a构成的组合6记录的磁滞曲线10的一个区段。磁通ψ是通过电磁体2的线圈2b的电流i的函数。在代表电磁体2的非饱和状态的第一曲线区段11中，磁滞曲线10以斜率m1基本上线性地延伸，使得在该曲线区段11中近似适用：ψ(i)＝m1·i+c1，c1是常量。在代表电磁体2的饱和状态的第二曲线区段12中，磁滞曲线10以斜率m2也基本上线性地延伸，使得在该曲线区段12中近似地适用：ψ(i)＝m2·i+c2，c2是常量。第二曲线区段12至电流轴线i的线性延长线以相同的斜率m2与电流轴线i在电流值i0的情况下相交。图2中示出的磁滞曲线10的区段从电磁体2的饱和状态就已经开始记录。因此，从通过电磁体2的线圈2b的最高电流i开始，电流i连续减小。
图3示出已经在安装完成的阀1处记录的磁滞曲线20的一个区段。类似于图1，阀1的由电磁体2和衔铁3构成的磁路中的磁通ψ是通过电磁体2的线圈2b的电流i的函数。类似于图1，从电磁体2的饱和状态中的电流i的最高值开始，电流i连续减小。
磁滞曲线20也在非饱和状态中具有第一曲线区段21，其中，该曲线区段以斜率m0基本上线性延伸。因此，在该曲线区段21中近似适用：ψ(i)＝m0·i+c0，c0是常量。在代表饱和状态的第二曲线区段22中，磁滞曲线20以斜率m3也基本上线性地延伸。在该曲线区段22中近似适用：ψ(i)＝m3·i+c3，c3是常量。曲线区段22至电流轴线i的线性延长线以相同的斜率m3与电流轴线i在电流值i1的情况下相交。
为了进行比较，在图3中附加地标注出图2中示出的磁滞曲线30的曲线区段31，安装完成的阀在衔铁持续贴靠在电磁体上的情况下具有该磁滞曲线。在曲线区段31中近似适用：ψ(i)＝m1*·i+c1*，c1*是常量。
在磁滞曲线20的从第二曲线区段22出发直至较小电流值i方向上的变化过程上明显可以看出，衔铁3从电磁体2的下落使磁通ψ非连续地减小。其原因在于，由于衔铁3的下降导致在衔铁3与电磁体2之间形成空气隙9，并且将磁能δe存储在空气隙9中。该能量δe相应于磁滞曲线20的第一曲线区段21与磁滞曲线30的第一曲线区段31之间的面积。由能量δe能够求取出所寻求的衔铁行程ah。
图4示出斜率比例m2/m1与电流值i0之间的第二函数关系8，该第二函数关系已经在电磁体2的系列研究中求取到。第二函数关系8相应于公式(3)。每个以菱形为符号标记出的测量点代表如下电磁体2，在所述电磁体上近似适用第二函数关系8。每个以圆圈为符号标记出的测量点代表如下电磁体2，该电磁体明显偏离于第二函数关系8。在图4中能够看出两组这种异常值8a和8b。以这种方式显眼的电磁体2优选作为废品剔除。
为更好理解，图5示出阀1的在对称操控情况下的完整磁滞曲线20。从饱和状态中的最高电流值i开始，分支28首先向较小的电流值i延伸。在此，首先经过基本上线性延伸的第二曲线区段21。在该第二曲线区段21结束，在点27a处通过由阀2的阀弹簧4b施加的回复力使衔铁3从电磁体2下落之前，并且在衔铁3与电磁体2之间形成空气隙9之前，磁通ψ在下降曲线区段24中减小得比在线性曲线区段中更快。这反映在磁通ψ的非连续减小中。随后，磁滞曲线20的分支28转移到非饱和状态中的第一曲线区段21中。在此，磁通ψ随电流i变化基本上线性延伸。
在图5的左下象限中，磁滞曲线20的分支28转移到进行吸引的曲线区段中。在点26b处，衔铁3被吸引到电磁体2处，这反映在曲线变化过程中的小的不连续性中。
如果随后在饱和状态中重新提高电流i，则经过磁滞曲线20的分支29。在此，磁滞曲线20又转移到下降的曲线区段24中，在该曲线区段中，在点27b处，衔铁3从电磁体2下落。如果磁滞曲线29的分支29进入到右上象限中，则开始下一进行吸引的曲线区段25。在点26a处，衔铁3又被吸引到电磁体2处。
类似于图3，在图5中还绘制出第二曲线区段21至电流轴线i的线性延长线23以及电流值i1，在该电流值i1处，延长线23与电流轴线i相交。
图6借助几个示例示出，不同电磁体2之间的样本分散会如何影响由相应的电磁体2与测试衔铁3a构成的组合6的磁滞曲线10的变化过程。
在图6a中示出第一磁滞曲线10与第二磁滞曲线10a之间的一种类型的偏差，这种偏差例如可能由于不同电磁体2的磁芯2a的热处理中的差异而引起，也可能由于用于两种磁芯2a的磁粉的不同的化学组成而引起。在由第二曲线区段12所代表的饱和状态中，两个磁滞曲线10与10a的变化过程相同。因此，磁芯2a的组成中的偏差不改变第二曲线区段12中的斜率m2，而且也不改变电流值i0，在该电流值的情况下，第二曲线区段12的线性延长线13与电流轴线i相交。然而在非饱和状态中，第一曲线区段11和11a的变化过程不同，并且尤其也具有不同的斜率m1。
图6b示出相反的情况：在由五个电磁体2构成的系列内部，分别在具有测试衔铁3a的组合6中测量的磁滞曲线10、10a至10d仅在饱和状态中明显不同，而这些磁滞曲线10、10a至10d在非饱和状态中几乎彼此平行延伸。因此，磁滞曲线10和10a在饱和状态中的第二曲线区段12和12a例如具有不同的斜率m2，并且这些第二曲线区段12和12a至电流轴线i的线性延长线13和13a在不同电流值i0情况下与电流轴线i相交。相反地，对于所有磁滞曲线10、10a至10d来说，非饱和状态中的斜率m1几乎相同。
相比之下，图6c示出如下情况：在由三个电磁体2构成的系列内部，分别在具有测试衔铁3a的组合6中所测量的磁滞曲线10、10a、10b既在非饱和区域中具有明显不同的斜率m1，而且也在饱和区域中的第二曲线区段12、12a中具有明显不同的斜率m2。相应地，第二曲线区段12、12a至电流轴线i的线性延长线13、13a在不同电流值i0情况下与电流轴线i相交。
只要电磁体2之间的样本分散仅表现在磁滞曲线10的这些变化中(m1、m2和i0以关联的方式变化)，就可以以简化的形式应用该制造方法。可以省去在每个单个的电磁体2上记录磁滞曲线10。替代地足够的是：测量一批名义上相同地规格的和制造的电磁体2中的几个电磁体2的样本，并且由此根据公式(3)求取函数关系8。对于这些样本，例如可以使用参考阀，其中，衔铁3作为测试衔铁3a被固定在电磁体2上。然后根据公式(4)分析处理所述批次中的所有其他电磁体2的m1。