Die Erfindung betrifft einen Drehsteller mit einem Hubmagneten mit den
oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1. Außerdem betrifft die
Erfindung einen bistabilen Hubmagneten mit den oberbegrifflichen Merkmalen
des Patentanspruches 9.
Hubmagnete werden für eine Vielzahl von technischen Anwendungen als
elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt, beispielsweise in (Fehlerstrom-)
Schutzschaltern, in elektromagnetischen Ventilen, in Relais und dergleichen.
Ein spezielles Anwendungsgebiet betrifft die Verwendung eines Hubmagneten
als Aktuator in einer elektromechanischen Schalteranordnung, insbesondere in
einem Drehsteller. Hierbei wird ein Hubmagnet beispielsweise dazu benutzt,
um eine Rast- oder Anschlaganordnung eines Drehstellers zu betätigen, um
z. B. eine vorbestimmte Haptik eines mit der Stellwelle des Drehstellers
gekoppelten Bediengliedes einzustellen, bzw. um (durch Blockierung der
Stellwelle) einen Anschlag zu simulieren.
Eine derartige Drehstelleranordnung ist in der deutschen Patentanmeldung DE 100 41 935.6
vorgeschlagen worden.
Der dort vorgeschlagene Drehsteller enthält eine in einem Gehäuse drehbar
gelagerte Stellwelle mit vorzugsweise mehreren, in verschiedenen Ebenen
angeordneten Rastanordnungen. Jede Rastanordnung besteht im wesentlichen
aus an der Stellwelle radial angebrachten Rasthülsen mit darin befindlichen,
axial beweglichen, federbelasteten Rastbolzen, sowie einem Rastring, mit einer
den Rastbolzen zugeordneten Rastkurve. Der Rastring kann durch ein
zugeordnetes steuerbares Feststellelement - vorzugsweise eine elastische, um
den Rastring gelegte Spannschelle mit einem Hubmagneten - relativ zum
Gehäuse wahlweise blockiert oder freigegeben werden.
Jeder Rastanordnung ist ein eigenes Feststellelement zugeordnet.
Ist das Feststellelement inaktiv, so dreht sich der Rastring mit der Stellwelle mit
(und ist dadurch quasi unwirksam); ist das Feststellelement dagegen aktiviert,
wird die Spannschelle durch den Hubmagneten zusammengezogen, wodurch
der Rastring bezüglich des Gehäuses blockiert wird. Bei Drehung der Stellwelle
gegenüber dem nunmehr fixierten Rastring "arbeiten" die Rastbolzen
reibschlüssig gegen die Rastkurve. Da vorzugsweise mehrere steuerbare
Rastanordnungen in unterschiedlichen Ebenen an der Stellwelle vorhanden
sind, können auf diese Weise unterschiedliche Haptiken eingestellt werden.
Eine Anschlaganordnung kann ebenfalls durch ein mit Hilfe eines Hubmagneten
aktuatierbares Feststellelement realisiert werden, indem die Stellwelle durch
einen im wesentlichen drehfest damit verbundenen Bremsflansch unmittelbar
blockiert wird.
Der zur Betätigung der Spannschelle benutzte Hubmagnet besteht dabei im
wesentlichen aus einen vorzugsweise zylindrisch ausgestalteten Anker, der in
einer korrespondierenden, im wesentlichen hohlzylindrisch ausgeformten
Aufnahme im Joch axial beweglich geführt wird. Das Joch steht dabei in
Kontakt mit einer Wicklung, die so angebracht ist, daß Anker und Joch bei
Bestromung der Wicklung von einem magnetischen Fluß durchsetzt werden.
Durch die zwischen Anker und Joch wirkenden magnetischen Kräfte ziehen
sich selbige bei Bestromung der Wicklung gegenseitig an. Bei dem
vorgeschlagenen Drehsteller ist ein freies Ende der Spannschelle mit dem
Anker und das andere freie Ende mit dem Joch verbunden. Bei Bestromung der
Wicklung wird die Spannschelle daher durch einen auf beide Enden der Schelle
wirkenden Zug gleichmäßig zusammengezogen und blockiert den Rastring.
Bei Unterbrechung der Bestromung wird der Anker dagegen durch die
elastische Federwirkung der Spannschelle vom Joch gelöst und der Rastring
freigegeben.
Da bei dieser Anordnung sowohl der Anker, als auch das Joch bewegt werden,
ist der Hubmagnet "freischwebend" aufgehängt.
Dies hat jedoch zur Folge, daß das aus Spannschelle und Hubmagnet gebildete
Feder-Massesystem unerwünschte Vibrationen ausführen kann, die
insbesondere bei Erreichen der Resonanzfrequenz störend sein können und
unter Umständen zu Schäden (beispielsweise zu einem Bruch) führen können.
Weiterhin ist ein möglichst geringer Stromverbrauch beim Betrieb der
steuerbaren Feststelleinrichtung anzustreben. Dies ist insbesondere bei der
vorzugsweisen Verwendung einer derartigen Anordnung in einem Kraftfahrzeug
mit begrenzten Energieresourcen von großer Wichtigkeit.
Erfindungsgemäß wird daher ein Drehsteller mit einer steuerbaren
Feststelleinrichtung vorgeschlagen, welche einen bistabilen Magneten aufweist.
Weiterhin wird ein bistabiler Hubmagnet mit zwei Ankern und einem einzelnen
Permanentmagneten vorgeschlagen.
Ein besonderer Vorteil in der Ausgestaltung des Hubmagneten als bistabiler
Magnet liegt darin, daß die Wicklung lediglich zum Umschalten zwischen den
beiden Schaltstellungen der Anker kurzzeitig bestromt werden muß.
Aufbau und Funktionsweise eines bistabilen Hubmagneten sind an und für sich
bekannt: der magnetische Kreis aus Joch und Anker enthält zusätzlich einen
Permanentmagneten, welcher so angeordnet ist, daß er den Anker in seiner
ersten Schaltstellung ("Anker angezogen") entgegen einer äußeren (Feder)-
kraft hält.
Durch einen kurzzeitig in der Wicklung fließenden Strom (Strompuls) kann das
magnetische Feld des Permanentmagneten kompensiert werden (dabei wird
die Stromrichtung so gewählt, daß das durch die Wicklung erzeugte Feld dem
des Permanentmagneten entgegengesetzt ist). Der Anker wird daher - durch
die äußere Kraft - in seine zweite Schaltstellung ("Anker abgezogen") bewegt.
Schließlich kann der in einer hinreichend kurzen Entfernung vom Joch
befindliche Anker durch einen zweiten Strompuls - mit entgegengesetzter
Stromrichtung - aus der zweiten Schaltstellung wieder in seine erste
Schaltstellung gezogen werden.
Der erfindungsgemäße, bistabile Hubmagnet besteht im wesentlichen aus
einem, vorzugsweise hohlzylindrischen Joch, welches vorzugsweise eine
einzelne Wicklung umgreift. Entlang der Symmetrieachse des Joches ist eine
zylindrische Aufnahme vorhanden, in der zwei, im wesentlichen identische
Anker gleitend oder rollend geführt werden. Weiterhin ist mittig in der Aufnahme
ein einzelner Permanentmagnet eingebracht, welcher die beiden Anker in der
ersten Schaltstellung hält.
Der erfindungsgemäße Drehsteller bzw. Hubmagnet wird nachfolgend anhand
von Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1a, b eine schematische Darstellung der Funktionsweise des
erfindungsgemäßen Drehstellers mit einem Feststellelement zum Ein-
bzw. Ausschalten einer Rastanordnung, wobei Fig. 1a den Zustand mit
deaktiviertem und Fig. 1b den Zustand mit aktiviertem Feststellelement
darstellt,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Hubmagneten
HM in der Schaltstellung "Anker abgezogen".
In den Fig. 1a, b ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drehsteller
dargestellt.
Ersichtlich ist die in einem Gehäuse 18 drehbar gelagerte Stellwelle 10, an
welcher eine Rastanordnung 11, bestehend aus Rasthülse 12, Federelement
13, Rastbolzen 14 und Halteelement 16 angeordnet ist. Den Rastbolzen 14
zugeordnet ist eine Rastkurve 15, welche an dem als Rastring ausgestalteten
Halteelement 16 vorhanden ist. Das Halteelement 16 wirkt weiterhin mit einem
Feststellelement 17 zusammen, welches vorzugsweise als eine elastische
Spannschelle ausgestaltet ist (anstelle der Spannschelle kann im übrigen auch
eine Spannzange bestehend aus zwei in sich starren, gegeneinander
beweglichen Schenkeln benutzt werden).
Die Spannschelle kann durch den Hubmagneten HM zusammengezogen
werden. Vorzugsweise sind an der Spannschelle und am Rastring
Verzahnungen 19 vorhanden, so daß zwischen dem Feststellelement 17 und
Halteelement 16 bei aktiviertem Feststellelement 17 eine formschlüssige
Verbindung entsteht.
Die beiden freien Enden 17a des Feststellelementes 17 sind mit den Ankern
1, 1' des bistabilen Hubmagneten HM verbunden. Der Hubmagnet HM ist dabei
durch ein Befestigungselement 7 am Gehäuse 18 befestigt. Vibrationen werden
dadurch zumindest weitgehend unterdrückt.
In Fig. 1a ist der bistabile Hubmagnet HM in der Schaltstellung "Anker
abgehoben" dargestellt (Feststellelement 17 deaktiviert). Die freien Enden 17a
der Spannschelle werden aufgrund der elastischen Vorspannung der
Spannschelle und/oder durch zusätzliche Zugfedern 8 (gestrichelt dargestellt)
gegen Anschläge 9 gedrückt.
Die Anschläge 9 sind am Gehäuse 18 derart angeordnet, daß sich die beiden
Anker 1, 1' des Hubmagneten innerhalb des Wirkbereiches des von
Permanentmagneten 4 und Wicklung 3 erzeugten magnetischen Feldes
befinden. Bei (kurzzeitiger) Bestromung der Wicklung 3 werden die beiden
Anker 1, 1' gegen den Permanentmagneten 4 gezogen. Dieser hält die beiden
Anker 1, 1' (auch nach Beendigung der Bestromung) in der Schaltstellung"
Anker angezogen" (Fig. 1b).
In dieser Schaltstellung ist das Halteelement 16 (Rastring) durch das aktivierte
Feststellelement 17 (Spannschelle) blockiert.
Die Blockierung kann schließlich durch (kurzzeitige) Bestromung der Wicklung
3 mit einem Strom umgekehrter Polarität wieder aufgehoben werden.
Die Funktionsweise des Feststellelementes 17 kann nicht nur in der illustrierten
Art durch eine um den Rastring gelegte Spannschelle (bzw. Spannzange)
realisiert werden. Eine andere Ausführungsvariante nutzt beispielsweise das
Funktionsprinzip einer Scheibenbremse aus, wobei ein Hubmagnet HM mit zwei
Ankern ein bremszangenartig ausgestaltetes Feststellelement 17 betätigt,
welche auf die Oberflächen eines zumindest scheiben- oder ringsegmentartig
ausgebildeten Rast- bzw. Anschlagelementes 16 einwirkt.
In völlig analoger Weise kann das Feststellelement 17 auch zur Aktivierung
einer Anschlaganordnung 11 - beispielsweise eines im wesentlichen drehfest
mit der Stellwelle 10 verbundenen Halteelementes 16 ("Bremsflansch") -
benutzt werden, wobei die Stellwelle 10 durch Aktivierung des
Feststellelementes 17 unmittelbar blockiert wird.
Fig. 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen, bistabilen Hubmagneten HM im Schnitt.
Der Hubmagnet HM ist dabei als ein im wesentlichen zylindersymmetrischer
Körper ausgestaltet. Innerhalb des ferromagnetischen Joches 2 befindet sich
die Wicklung 3 (die Stromanschlüsse der Wicklung sind nicht dargestellt).
Zentral im Joch 2 ist eine hohlzylindrische Aufnahme vorgesehen, in welcher
die beiden Anker 1, 1', vorzugsweise gleitbeweglich, geführt sind. Zentral in der
Aufnahme ist desweiteren ein Permanentmagnet 4 (z. B. ein Kobalt-Samarium-
Magnet) befestigt, insbesondere eingeklebt. Vorzugsweise sind in der
Aufnahme unmittelbar vor den Stirnflächen des Permanentmagneten 4(vorzugsweise ferromagnetische) Prallplatten 5 vorgesehen, welche den
Permanentmagneten 4 gegen Bruch schützen.
Zur Erleichterung der axialen Beweglichkeit der beiden Anker 1, 1', kann die
Aufnahme zusätzlich mit einem, gute Gleitreibungseigenschaften aufweisenden
Material (z. B. einer Folie) ausgekleidet werden.
Desweiteren ist auch eine rollende Lagerung der beiden Anker 1, 1' denkbar.