PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10208899A1 11.09.2003
Titel Elektromagnetischer Antrieb
Anmelder EBK Krüger GmbH Elektronische Baugruppen und Komponenten, 14513 Teltow, DE
Erfinder Hanke, Martin, Dr., 13125 Berlin, DE;
Hoffmann, Ralf, 12349 Berlin, DE
Vertreter Kietzmann, M., Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrechtswesen, Pat.-Anw., 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 27.02.2002
DE-Aktenzeichen 10208899
Offenlegungstag 11.09.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.09.2003
IPC-Hauptklasse H01F 7/08
IPC-Nebenklasse F16F 9/48   
Zusammenfassung Der elektromagnetische Antrieb besteht aus einem magnetflussführenden Joch 1, einer darin angeordneten Spule 2 und einem gegenüber der Spule 2 und dem Joch 1 beweglich angeordneten Anker 3, der durch das Joch 1 geführt ist. Die wirksame Polfläche, gebildet aus der Jochfläche und der parallel dazu verlaufenden Ankerpolfläche ist während der Bewegung des Ankers 3 unter Wirkung der Magnetkraft F in Richtung Joch 1 nichtlinear veränderbar.
Dazu ist der Anker 3 topfförmig ausgebildet, und der Mantel, dessen Innenfläche mit der Jochpolfläche eine wirksame Polfläche bildet, umfasst unter Wirkung einer Magnetkraft F das Joch 1 außen. Der obere Rand des Mantels des Ankers 3 ist bezogen auf den Umfang nichtperiodisch über den Umfang verteilt dreiecksförmig gezackt.
Mit einer derartigen Ausbildung lässt sich erreichen, dass bereits bei Hubbeginn eine vergleichsweise hohe Magnetkraft wirkt und diese über die Hubbebwegung auch nahezu konstant gehalten werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb insbesondere für hydraulisch betätigte Dämpfungselemente.

Hydraulische Dämpfungselemente, auch solche mit elektromagnetischen Antrieb sind bekannt.

Die DE 100 24 536 A1 beschreibt eine hydraulisch dämpfende Buchse bei der die Wirksamkeit der hydrodynamischen Dämpfung durch einen Überströmkanal verbessert wird.

In der DE 197 53 515 wird ein regelbarer Stoßdämpfer beschrieben, bei dem ein an einem Dämpfungskolben angeordneter elektromagnetischer Antrieb mit Spulenwicklung einen Steuerkörper bewegt, so dass ein Bypass zwischen den Arbeitskammern geschaltet wird. Der Steuerkolben wird dabei bei Bestromung des Elektromagneten gegen die Kraft einer Feder in den Spulenkörper, in dem er auch geführt ist, hineingezogen. So kann durch unterschiedliche Bestromung ein günstiger Kennlinienverlauf für die Dämpfungswirkung des Stoßdämpfers erzielt werden.

Eine derartige elektromagnetische Ansteuerung von Ventilen wird in der Elektrohydraulik vielfältig verwendet. In die Spulenwicklung des Elektromagneten wird ein Eisenkern, der Anker, eingebracht. Eingebettet in diesen Anker ist ein nichtmagnetischer Stößel. Wird nun die Spule mit Strom versorgt, bildet sich ein Magnetfeld aus, das den Anker anzieht. Der mit dem Anker verbundene Stößel schaltet dann einen Ventilschieber.

Hubmagnete besitzen dabei zwei Endstellungen:

  • - die erste Endstellung wird beim Stromdurchgang erzielt (Magnet zieht an),
  • - die zweite Endstellung wird im stromlosen Zustand über eine Rückstellfeder erreicht (Magnet fällt ab).

Der Stößel drückt bei jedem Schaltvorgang zusätzlich gegen die Rückstellfeder des Ventils, was seine Kraft in Anzugsrichtung verringert.

Zu Beginn der Hubbewegung ist die Magnetkraft klein. Mit kleiner werdendem Luftspalt s zwischen Anker und Gehäuse erhöht sich der magnetische Fluss und damit die Magnetkraft F.

Der Verlauf der Magnetkraft als Funktion des Hubes hängt vom Zuwachs der magnetischen Feldenergie beim Schießen des Ankerluftspaltes ab. Wenn der Gesamtfluss nicht durch die magnetische Sättigung der beteiligten Bauteile begrenzt wird, verringert sich also mit schließendem Anker der Übergangswiderstand zwischen Anker und Joch, damit der Fluss und somit ergibt sich eine anziehende Kraft.

In ELEKTROHYDRAULIK/Dr. Merkle, K. Rupp, D. Scholz Springerverlag 1997, S. 140 wird deshalb vorgeschlagen, die Bewegung des Ankers mit einem kleinen Leerhub zu beginnen und erst bei Erreichen einer höheren Magnetkraft den Steuerschieber des Wegeventils zu schalten. Der grundsätzliche Verlauf der Kraft-Weg-Kurve (Fig. 1) wird dadurch jedoch nicht verändert.

Alternativ ist es auch möglich, mit höheren AW-Zahlen (Ampere × Windungen) zu arbeiten. Eine solche Anordnung erfordert typischerweise aus thermischen Gründen eine Umschaltung vom Dauerbetrieb mit kleiner Erregung bei geschlossenem Anker zum Fangbetrieb mit hoher Erregung zum Schließen des Ankers. Auch das ist von Nachteil.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Kraft-Weg-Verlauf so anzupassen, dass eine möglichst hohe Anfangskraft erreicht wird, die sich über den Hub des Ankers nicht nennenswert verändert. Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1, vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Anspruch 13 beschreibt eine vorteilhafte Verwendung.

Beim erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antrieb bestehend aus einer Spule in einem magnetflussführendem Joch und einem gegenüber der Spule und dem Joch beweglich angeordneten Anker, der durch das Joch geführt ist, ist vorgesehen, dass die wirksame Polfläche gebildet aus der Jochfläche und der parallel dazu verlaufenden Ankerpolfläche während der Bewegung des Ankers unter Wirkung der Magnetkraft F in Richtung Joch nichtlinear veränderbar ist, indem

der Anker topfförmig ausgebildet ist und der Mantel, dessen Innenfläche mit der Jochpolfläche eine wirksame Polfläche bildet und unter Wirkung einer Magnetkraft F das Joch aussen umfasst, in der Höhe bezogen auf den Umfang unterschiedliche Abmaße aufweist, und/oder

der Anker topfförmig ausgebildet ist, so dass der Mantel, dessen Innenfläche mit der Jochpolfläche eine wirksame Polfläche bildet, unter Wirkung einer Magnetkraft F das Joch aussen umfasst, wobei die Jochpolfläche in diesem Bereich in der Höhe bezogen auf den Umfang unterschiedliche Abmaße aufweist.

Mit einer derartigen Ausbildung läßt sich erreichen, dass bereits bei Hubbeginn eine vergleichsweise hohe Magnetkraft wirkt und diese über die Hubbewegung auch nahezu konstant gehalten werden kann.

Weitere Ausgestaltungen sehen vor, dass der topfförmige Anker im Querschnitt bezogen auf die Höhe Abweichungen von einer Rechteckform besitzt und/oder im Joch Aussparungen angeordnet sind und/oder ein Schaft, mit dem der Anker im Joch geführt ist, am Umfang Aussparungen aufweist und/oder die obere, sich im Joch befindliche Querschnittsfläche eines Schaftes, mit dem der Anker im Joch geführt ist, uneben oder deren Randbereich kurvenförmig ausgebildet sind.

In einer vorteilhaften weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass bei einem topfförmigen Anker im Mantel Aussparungen vorhanden sind und/oder der obere Rand des Mantels bezogen auf den Umfang ist kurvenförmig ausgebildet, oder der obere Rand des Mantels weist bezogen auf den Umfang nichtperiodisch über den Umfang verteilt sägezahnförmige Ausschnitte auf, oder der obere Rand des Mantels ist bezogen auf den Umfang nichtperiodiisch über den Umfang verteilt dreiecksförmig gezackt. Derartige Anpassungen können gleichzeitig oder alternativ auch auf der Jochpolfläche plaziert sein.

Zusätzlich oder alternativ kann sich der Querschnitt des Mantels des topfförmigen Ankers nach oben hin auf der dem Joch abgewandten Seite verringern oder vergrößern, vorzugsweise linear.

Eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme besteht darin, dass der kurvenförmige oder sägezahnförmige oder dreiecksförmig gezackte obere Rand des topfförmigen Ankers außen angefast wird.

Auch eine Abschrägung des Joches auf der dem topfförmigen Anker zugewandten Ende außen, stellt eine Möglichkeit der Optimierung des Kraft-Weg-Verlaufes dar.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Joch zylinderförmig ausgebildet ist und der Anker im Joch mit einem zylindrischen Schaft geführt ist oder die Paarung Joch und Schaft des Ankers einen quadratischen oder sechseckigen oder achteckigen Querschnitt aufweist.

Der Schaft, mit dem der Anker im Joch geführt ist, weist bei einer Ausführung, bei der der elektromagnetische Antrieb gleichzeitig als Ventil insbesondere zur Steuerung eines Hydrolagers verwendet werden soll, mindestens einen ihn in Schaftlängsrichtung vollständig durchdringenden verschließbaren Kanal, vorzugsweise eine durchgehende zentrische Bohrung auf.

Dabei bietet auch der Schaft Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Gestaltung der Magnetkraft-Weg-Kennlinie, indem am Umfang Aussparungen vorhanden sind und/oder die obere, sich im Joch befindliche Querschnittsfläche des Schaftes uneben oder deren Randbereich kurvenförmig ausgebildet sind.

Bei einem Schaft mit durchgehendem Kanal kann der obere, sich im Joch befindliche Rand des Schaftes bezogen auf den Umfang nichtperiodiisch über den Umfang verteilt sägezahnförmig ausgebildet oder dreiecksförmig gezackt sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Kraft-Weg-Kennlinie des Standes der Technik

Fig. 2 Elektromagnetischer Antrieb

Fig. 3 Antrieb in perspektivischer Sicht

Fig. 4 Kraft-Weg-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Antriebes.

In Fig. 1 ist die Kraft-Weg-Kennlinie eines herkömmlichen elektromagnetischen Antriebes für ein hydraulisches betätigtes Dämpfungselement gezeigt. Dabei wird ein Anker 3 in einem zylindrischen Joch 1 mit U-förmigen Mantelquerschnitt und darin angeordneten Wicklungen 4 einer Spule 2 geführt.

Die dabei wirksame Magnetkraft zwischen Anker 3 und Joch 1 hängt neben der Erregung der Spule 2 von der Größe des Arbeitsluftspaltes ab.

Die Kennlinie lässt erkennen, dass bei größerem Luftspalt nur eine geringe magnetische Kraft wirkt und sich diese mit Verringerung des Luftspaltes deutlich erhöht. Beim Einsatz eines derartigen Antriebs zur Betätigung eines hydraulischen Dämpfungselementes wird, um eine ausreichende Anfangsmagnetkraft F zur Verfügung zu haben, mit großen AW-Zahlen gearbeitet, was einen starken Wärmeausstieg nach sich zieht und damit die Gefahr der Überlastung des Systems in sich birgt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Antriebs Der elektromagnetischer Antrieb besteht aus einem magnetflussführenden Joch 1, einer darin angeordneten Spule 2 und einem gegenüber der Spule 2 und dem Joch 1 beweglich angeordneten Anker 3, der durch das Joch 1 geführt ist.

Die wirksame Polfläche, gebildet aus der Jochfläche und der parallel dazu verlaufenden Ankerpolfläche ist während der Bewegung des Ankers 3 unter Wirkung der Magnetkraft F in Richtung Joch 1 nichtlinear veränderbar.

Dazu ist der Anker 3 bei dieser Ausführung topfförmig ausgebildet, und der Mantel, dessen Innenfläche mit der Jochpolfläche eine wirksame Polfläche bildet, umfasst unter Wirkung einer Magnetkraft F das Joch 1 aussen.

Der obere Rand des Mantels des Ankers 3 ist bezogen auf den Umfang nichtperiodiisch über den Umfang verteilt dreiecksförmig gezackt.

Zusätzlich oder alternativ können im Mantel Aussparungen vorhanden sein. Auch kann der obere Rand des Mantels bezogen auf den Umfang kurvenförmig oder sägezahnförmig ausgebildet sein.

Das Joch 1 ist zylinderförmig mit einem U-Profil als Mantelquerschnitt ausgebildet und der Anker 3 ist im Joch 1 mit einem zylindrischen Schaft 6 geführt. Der Schaft 6 weist einen ihn in Schaftlängsrichtung vollständig durchdringenden Kanal 7 hier als eine durchgehende zentrische Bohrung ausgeführt auf. Wenn keine Magnetkraft F vorhanden ist, ist die Bohrung verschlossen. Dies wird erreicht, indem die dem Joch 1 abgewandte untere Ankerfläche auf einer nicht dargestellten Platte aufliegt. Wird eine Magnetkraft F erzeugt, hebt sich der Anker 3 von dieser Platte ab und gibt eine Durchströmmöglichkeit durch den Kanal 7 frei. Der elektromagnetische Antrieb kann so gleichzeitig als Ventil insbesondere zur Steuerung eines Hydrolagers verwendet werden.

Fig. 3 Zeit eine perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Antriebs. Deutlich erkennbar ist der topfförmig ausgebildet Anker 3, dessen Mantel am oberen Rand bezogen auf den Umfang nichtperiodiisch über den Umfang verteilt dreiecksförmig gezackt ist. Die Innenfläche des Mantels bildet mit der Jochpolfläche eine wirksame sich nichtlinear verändernde Polfläche, wenn der Anker 3 unter Wirkung einer Magnetkraft F in Richtung Joch 1 bewegt wird und das Joch 1 aussen umfasst.

Das Joch 1 ist zylinderförmig mit einem U-förmigen Mantelquerschnitt zur Aufnahme der Wicklungen 4 der Spule 2 ausgebildet und der Anker 3 wird im Joch 1 mit einem zylindrischen Schaft 6 geführt.

Der Schaft 6 weist einen ihn in Schaftlängsrichtung vollständig durchdringenden Kanal 7 auf. Der Kanal 7 ist verschlossen, wenn keine Magnetkraft F vorhanden ist. Dies kann durch eine Platte erfolgen, auf der der Anker 3 dann aufliegt.

Fig. 4 zeigt eine Kraft-Weg-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Antriebes. Diese zeichnet sich durch zwei besonders vorteilhafte Merkmale aus, nämlich einer bereits hohen Anfangsmagnetkraft F und deren nahezu konstanten Verlauf über den Betätigungshub, der hier 6-7 mm beträgt. Bezugszeichenliste 1 Joch

2 Spule

3 Anker

4 Wicklung

5 Abschrägung des Joches

6 Schaft des Ankers

7 Kanal im Anker


Anspruch[de]
  1. 1. Elektromagnetischer Antrieb, vorzugsweise für hydraulisch betätigte Dämpfungselemente, bestehend aus einer Spule (2) in einem magnetflussführendem Joch (1) und einem gegenüber der Spule (2) und dem Joch (1) beweglich angeordneten Anker (3), der durch das Joch (1) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass

    die wirksame Polfläche gebildet aus der Jochfläche und der parallel dazu verlaufenden Ankerpolfläche während der Bewegung des Ankers (3) unter Wirkung der Magnetkraft F in Richtung Joch (1) nichtlinear veränderbar ist, indem

    der Anker (3) topfförmig ausgebildet ist und der Mantel, dessen Innenfläche mit der Jochpolfläche eine wirksame Polfläche bildet und unter Wirkung einer Magnetkraft F das Joch (1) aussen umfasst, in der Höhe bezogen auf den Umfang unterschiedliche Abmaße aufweist, und/oder

    der Anker (3) topfförmig ausgebildet ist, so dass der Mantel, dessen Innenfläche mit der Jochpolfläche eine wirksame Polfläche bildet, unter Wirkung einer Magnetkraft F das Joch (1) aussen umfasst, wobei die Jochpolfläche in diesem Bereich in der Höhe bezogen auf den Umfang unterschiedliche Abmaße aufweist.
  2. 2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

    der topfförmige Anker (1) im Querschnitt bezogen auf die Höhe Abweichungen von einer Rechteckform besitzt und/oder

    im Joch (1) Aussparungen angeordnet sind und/oder

    ein Schaft (6), mit dem der Anker (3) im Joch (1) geführt ist, am Umfang Aussparungen aufweist und/oder

    die obere, sich im Joch (1) befindliche Querschnittsfläche eines Schaftes (6), mit dem der Anker (3) im Joch (1) geführt ist, uneben oder deren Randbereich kurvenförmig ausgebildet sind.
  3. 3. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

    im Mantel des topfförmigen Ankers (3) Aussparungen vorhanden sind und/oder

    der obere Rand des Mantels bezogen auf den Umfang kurvenförmig ausgebildet ist oder

    der obere Rand des Mantels bezogen auf den Umfang periodisch oder nichtperiodisch über den Umfang verteilt sägezahnförmig ausgebildet ist oder

    der obere Rand des Mantels bezogen auf den Umfang periodisch oder nichtperiodisch über den Umfang verteilt dreiecksförmig gezackt ist.
  4. 4. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

    in der Jochpolfläche Aussparungen vorhanden sind und/oder

    der Rand der Jochpolfläche bezogen auf den Umfang kurvenförmig ausgebildet ist oder

    der Rand der Jochpolfläche bezogen auf den Umfang periodisch oder nichtperiodisch über den Umfang verteilt sägezahnförmig ausgebildet ist oder

    der Rand der Jochpolfläche bezogen auf den Umfang periodisch oder nichtperiodisch über den Umfang verteilt dreiecksförmig gezackt ist.
  5. 5. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des Mantels des topfförmigen Ankers (3) nach oben hin auf der dem Joch (1) abgewandten Seite verringert oder vergrößert.
  6. 6. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der kurvenförmige oder sägezahnförmige oder dreiecksförmig gezackte obere Rand des topfförmigen Ankers (3) außen angefast ist.
  7. 7. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (1) auf der dem topfförmigen Anker (3) zugewandten Ende außen eine Abschrägung (5) aufweist.
  8. 8. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (1) zylinderförmig ausgebildet ist, der Anker (3) im Joch (1) mit einem zylindrischen Schaft (6) geführt ist oder die Paarung Joch (1) und Anker (3) einen quadratischen oder sechseckigen oder achteckigen Querschnitt aufweist.
  9. 9. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen im Joch (1) in einer Außenmantelfläche und/oder in der Führungsfläche für den Schaft (6) angeordnet sind.
  10. 10. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (6), mit dem der Anker (3) im Joch (1) geführt ist, mindestens einen ihn in Schaftlängsrichtung vollständig durchdringenden Kanal (7), vorzugsweise eine durchgehende zentrische Bohrung aufweist.
  11. 11. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (7) verschlossen ist, wenn keine Magnetkraft F vorhanden ist.
  12. 12. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schaft (6) mit durchgehendem Kanal (7) der obere, sich im Joch (1) befindliche Rand des Schaftes (6) bezogen auf den Umfang nichtperiodiisch über den Umfang verteilt sägezahnförmig ausgebildet ist oder dreiecksförmig gezackt ist.
  13. 13. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er als Ventil insbesondere zur Steuerung eines Hydrolagers verwendet wird.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com