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Dokumentenidentifikation DE102004037430A1 23.03.2006
Titel Monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung
Anmelder ETO MAGNETIC KG, 78333 Stockach, DE
Erfinder Janisch, Werner, 88696 Owingen, DE
Vertreter Hiebsch und Kollegen, 78224 Singen
DE-Anmeldedatum 30.07.2004
DE-Aktenzeichen 102004037430
Offenlegungstag 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/122(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01F 7/127(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   H01F 7/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse axial geführten, durch eine Bestromung einer im Gehäuse vorgesehenen Spulenvorrichtung und gegen eine Rückstellkraft bewegbaren Ankereinheit, wobei die Stellvorrichtung ohne Rückstellfeder realisiert ist und die Rückstellkraft durch eine stirnseitig im Gehäuse vorgesehene und berührungslos auf die Ankereinheit wirkende Permanentmagneteinheit erzeugt wird, wobei die Permanentmagneteinheit so im magnetisch leitendes Material aufweisenden Gehäuse angeordnet ist, dass als Reaktion auf die Bestromung magnetische Feldlinien des Permanentmagneten aus der Ankereinheit hinaus in einen Abschnitt des Gehäuses verdrängt werden, wobei die Feldlinien des Permanentmagneten in der Richtung von durch die Bestromung erzeugten magnetischen Feldlinien verlaufen.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und etwa in der deutschen Patentanmeldung 102 40 774 der Anmelderin offenbart. Für vielfältige Stell- bzw. Schaltzwecke wird dabei ein Anker als Stellelement, der endseitig einen Eingriffsbereich für die vorgesehene Stellaufgabe aufweist, in einem Gehäuse geführt und mittels eines im Gehäuse vorgesehenen Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus dem Gehäuse heraus bewegt.

Derartige bekannte Vorrichtungen existieren für eine Vielzahl von Anwendungszwecken und mit entsprechend vielen Bauformen. Gleichwohl ist es üblich, dass zum Erzeugen der Rückstellkraft eine Rückstellfeder auf den Anker wirkt, welche einerseits (durch ihre Federkraft) die effektive Stellkraft durch den Elektromagneten vermindert, andererseits im Gehäuse zusätzlichen Bauraum bzw. konstruktive Vorkehrungen zur Befestigung benötigt. Dies führt dann dazu dass, gerade im Hinblick auf zu optimierende Baugrößen eine bekannte, gattungsbildende Vorrichtung nicht optimal ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung im Hinblick auf ihre magnetische Krafterzeugung (insoweit auch im Hinblick auf den Wirkungsgrad) sowie den konstruktiven Platzbedarf, insbesondere auch in Bewegungsrichtung des Ankers, zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Vorteilhaft entfällt bei der vorliegenden Erfindung eine die Rückstellkraft auf den Anker ausübende Rückstellfeder od.dgl. mechanischer Kraftspeicher; diese Aufgabe wird im Rahmen der Erfindung übernommen von dem erfindungsgemäß im Stirnbereich des Gehäuses vorgesehenen Permanentmagneten, welcher auf den Anker eine Zugkraft als Rückstellkraft ausübt.

Erfindungsgemäß wir dann bei Bestromung der den Elektromagneten realisierenden Spuleneinheit dieses auf den Anker als Rückstellkraft wirkende Permanentmagnetfeld kompensiert, und zwar dahingehend, dass die Feldlinien des Permanentmagneten in einen größeren Magnetkreis entlang des (aus magnetisch leitendem Material gebildeten) Gehäuses gezwungen werden. Dementsprechend entfällt die durch den Permanentmagneten entgegen der vorgesehenen Stell- bzw. Bewegungsrichtung des Ankers wirkende, kraft- bzw. effizienzmindernde magnetische Rückstellkraft, und die eigentliche elektromagnetische Betätigung kann mit größerem Wirkungsgrad und auch schneller erfolgen. Zusätzlich ermöglicht es diese erfindungsgemäße Lösung, dass in der (axialen) Bewegungs- bzw. Stellrichtung die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentlich kompakter realisiert werden kann, denn separater Bauraum bzw. gesonderte konstruktive Vorkehrungen für eine Rückstellfeder sind nicht mehr erforderlich, und ein etwaiger, zur Aufnahme der (bevorzugt flachen) Permanentmagneteinheit notwendiger zusätzlicher Bauraum ist deutlich kleiner.

Gemäß bevorzugter Weiterbildungen ist es dabei besonders bevorzugt, die Permanentmagneteinheit an der Innenseite eines (magnetisch leitenden) Deckels eines bevorzugt zylindrischen Gehäuses für die erfindungsgemäße Vorrichtung anzuordnen, wobei sowohl (flach-) zylindrische, als auch (flach-) ringförmige Konfigurationen für die Permanentmagneteinheit, die weiter bevorzugt aus NeFeB, SmCo oder AlNiCo realisiert ist, eingesetzt werden können.

Als weiterer Vorteil der Erfindung hat sich herausgestellt, dass, während die Feldliniendichte durch den Permanentmagneten begrenzt wird, im Kern der Spulenvorrichtung eine höhere Felddichte dadurch entsteht, dass über den Anker (radial) laufende Feldlinien den magnetischen Fluss im Kern erhöhen. Diese unterschiedlichen Flussdichten erzeugen eine zusätzliche Kraft und verstärken damit die magnetische Stellkraft der Vorrichtung.

Ohnehin sorgt der Permanentmagnet dafür, dass über de gesamte Breite der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Feldlinien gleichmäßiger (d.h. zur Mitte hin) verteilt werden.

Besonders bevorzugt ist es zudem, im Rahmen günstiger Weiterbildungen der Erfindung diejenigen flussleitenden Gehäuseabschnitte des Gehäuses, welche magnetisch mit der Permanentmagneteinheit in Wechselwirkung treten, so (querschnittlich) zu profilieren bzw. mit einer Kontur zu versehen, dass über bevorzugt den gesamten Stellweg des Ankers ein linearer Kennlinienverlauf der Kraft-Weg-Kennlinie entsteht. Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung lässt sich dies insbesondere durch das Vorsehen von (querschnittlichen) Absätzen und/oder konischen Verläufen im Gehäuseprofil erreichen; ergänzend oder alternativ lässt sich eine derartige (oder andere gezielte) Beeinflussung der magnetischen Rückstellkraftkennlinie durch geeignete Konturierung bzw. Profilierung des Permanentmagneten und/oder des Ankers selbst erzeugen, etwa dadurch, dass der Anker querschnittlich zu seinem jeweiligen Außenrand hin konusförmig verläuft.

Während im Hinblick auf die beschriebene Bauform bzw. Baugrößenproblematik eine Realisierung des Ankers als Flachanker bevorzugt ist (dieser würde durch seine flache Scheibenform wiederum eine Minimierung der Erstreckung des Gehäuses in der Bewegungsrichtung ermöglichen), ist zur Realisierung der Erfindung prinzipiell auch jede andere Ankerform, etwa eine Realisierung als Tauchanker, geeignet.

Im Ergebnis werden die praktischen Betriebs- und Einbaueigenschaften bekannter, gattungsgemäßer monostabiler elektromagnetischer Stellvorrichtung auf eine elegante Weise optimiert, wobei der erfindungsgemäß zur Erzeugung der Rückstellkraft eingesetzte Permanentmagnet in Verbindung mit optimierter, durch Gehäuse-, Anker- und Permanentmagnetgeometrie bestimmter Flussführung für eine signifikante Kraft- und Effizienzsteigerung im Rahmen der Erfindung sorgt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in

1: eine schematische Schnittansicht der monostabilen elektromagnetischen Stellvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

2: eine Schnittansicht analog 1 mit einer Gehäusemodifikation als zweite Ausführungsform;

3: eine schematische Schnittansicht analog 1, 2 mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

4, 5: schematische Flussliniendiagramme zum Verdeutlichen des Betriebs der ersten Ausführungsform (1.) in unbestromtem Zustand der Spule (4) bzw. bestromtem Zustand (5);

6, 7: schematische Ansichten des Betriebs einer Variante der ersten Ausführungsform mit modifiziertem Anker im unbestromtem Zustand (6) bzw. bestromtem Zustand (7); und

8, 9: schematische Betriebsdiagramme mit eingezeichneten Feldlinien bzw. Feldlinien-Gradientenpfeilen der dritten Ausführungsform (3) in unbestromtem Zustand (8) bzw. bestromtem Zustand (9).

Eine in der ersten bis dritten Ausführungsform (1 bis 3) als Flachanker 10 ausgebildete Ankereinheit ist in nicht näher gezeigter Weise in einem zylindrischen Gehäuse 12 gelagert und weist einen nicht gezeigten Eingriffsbereich für eine vorgesehene Stellaufgabe zum Zusammenwirken mit einem nachgeschalteten Aggregat auf.

Der Flachanker 10 wird durch eine elektromechanische Spuleneinheit 14 bewegt, und zwar in axialer Richtung des Gehäuses 12 (d.h. in vertikaler Richtung in der Papierebene der 1) Genauer gesagt weist die Spuleneinheit 14 eine auf einem Spulenträger 16 gewickelte und in ansonsten bekannter Weise beschaltete und um einen Kern 18 herum gebildete Wicklung 20 auf, die bei Bestromung ein auf den Flachanker 10 wirkendes Magnetfeld erzeugt. In einem Deckelbereich 22 des Gehäuses 20 ist innenseitig ein flachzylindrischer bzw. scheibenförmiger Permanentmagnet 24 so befestigt, dass dessen Magnetfeld (siehe 4 mit dem zugehörigen Feldlinienverlauf) in unbestromtem Zustand der Spule 20 eine Rückstell- bzw. Zugkraft auf den Flachanker 10 ausübt. Der Flachanker 10 ist so im Gehäuse gelagert, dass er im rückgestellten Zustand den Permanentmagneten 24 nicht berührt. Geeignet ist der Permanentmagnet 24 aus NeFeB oder SmCo (Remanenz im Bereich zwischen 0,9 und 1,4 Tesla) realisiert.

Die 5 verdeutlicht den gegenüber 4 geänderten Feldlinienverlauf, sobald die Elektromagneteinheit 14 durch Bestromung der Spule 20 aktiviert wird. Es wird deutlich, dass das gleichsinnige Feld der Elektromagneteinheit 14 das Permanentmagnetfeld im beträchtlichen Ausmaß aus dem Flachanker verdrängt, so dass, angedeutet durch den Feldlinienverlauf, ein größerer Magnetkreis entlang des auch gegenüberliegend stirnseitig geschlossenen Gehäuses 12 entsteht. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass die so auf den Flachanker 10 ausgeübte Bewegungskraft nicht (oder nur noch in stark abgemilderter Weise) durch die entgegengerichtete Zugkraft des Permanentmagneten 24 negativ beeinflusst wird; gleichzeitig sorgt der Permanentmagnet dafür, dass sich der gesamte elektromagnetische Feldlinienverlauf vergleichsweise gleichmäßig im Kern 18 verteilt. Gleichzeitig ist aus den Feldliniendiagrammen der 4 und 5 erkennbar, dass über die radial im Anker verlaufenden Feldlinien der magnetische Fluss im Kern erhöht ist, was wiederum die elektromagnetische Stellkraft erhöht.

Die Variante der 6 und 7 (die Konfiguration des Permanentmagneten entspricht nach wie vor der Ausführungsform der 1 mit axialem, mittigem Permanentmagnet-Flachzylinder, der Anker ist jedoch nunmehr ein in den Kernbereich hineinragender Tauchanker 26) verdeutlicht, dass das Vorstehende im Zusammenhang mit den 4 und 5 skizzierte Prinzip auch bei diesem anderen Ankertyp wirksam ist und zu einer fast vollständigen Verdrängung des (horizontalen) magnetischen Feldlinienverlaufs in einen größeren, im Gehäuse umlaufenden Verlauf führt.

Die Schnittansichten der 2 und 3 verdeutlichen gegenüber der Darstellung der 1, wie durch Profilierungen am Gehäuse, andere Ausbildungen des Permanentmagneten oder, wie im gezeigten Beispiel, einen umlaufenden Ringabsatz 28 eine Beeinflussung des Feldlinienverlaufes dergestalt entstehen kann, dass über den (Bewegungs-Hub-) Bereich des Ankers die Kraft-Weg-Kennlinie der Ankerbewegung vergleichmäßigt (linearisiert) werden kann; im Beispiel der 2 geschieht dies über eine randseitige Profilierung als Ringabsatz im Randbereich des Deckelabschnittes 22, im Ausführungsbeispiel in 3 durch einen zentrisch vorgesehenen Vorsprung 30 im Deckelbereich 22, wobei dieser Vorsprung 30 dann flussleitend mit einem ringförmigen Permanentmagneten 24, welcher radial den Vorsprung 30 umgibt, zusammenwirkt.

Weitere, in den Fig. nicht gezeigte Modifikationen könnten eine konische Querschnittsform von Gehäuseabschnitten und/oder Anker vorsehen, oder eine andere, geeignete und flussbeeinflussende Konturierung.

Die 8 und 9 verdeutlichen den Feldlinienverlauf der dritten Ausführungsform gemäß 3, wobei die 8 den unbestromten Zustand mit nahezu geschlossenem kleinen Feldlinienkreis zwischen Deckel, Permanentmagnet und Anker verdeutlicht, währen wiederum die 9 die Verdrängung in eine größeren Magnetkreis durch Bestromung der Spule 20 zeigt. Zusätzlich verdeutlichten die Flussliniendiagramme der 8, 9 die Richtung der jeweiligen Feldvektoren und zeigen somit eindrucksvoll, wie Permanentmagnetfeld und Elektromagnetfeld gleichsinnig orientiert sind.


Anspruch[de]
  1. Monostabile elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse axial geführten, durch eine Bestromung einer im Gehäuse vorgesehenen Spulenvorrichtung (20) und gegen eine Rückstellkraft bewegbaren Ankereinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung ohne Rückstellfeder realisiert ist und die Rückstellkraft durch eine stirnseitig im Gehäuse (12) vorgesehene und berührungslos auf die Ankereinheit wirkende Permanentmagneteinheit (24) erzeugt wird, wobei die Permanentmagneteinheit so im magnetisch leitendes Material aufweisenden Gehäuse angeordnet ist, dass als Reaktion auf die Bestromung magnetische Feldlinien des Permanentmagneten aus der Ankereinheit hinaus in einen Abschnitt des Gehäuses verdrängt werden, wobei die Feldlinien des Permanentmagneten in der Richtung von durch die Bestromung erzeugten magnetischen Feldlinien verlaufen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit an einem Deckelbereich (22) des zylindrisch ausgebildeten Gehäuses vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit im axialen Bereich des Gehäuses vorgesehen und zylindrisch, insbesondere flachzylindrisch, ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit ringförmig ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit Material aufweist, welches aus der Gruppe bestehend aus NeFeB, SmCo und AlNiCo ausgewählt ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse im Stirn- und/oder Deckelbereich und/oder die Ankereinheit eine eine Feldlinienkonzentration der durch die Bestromung erzeugten Feldlinien bewirkende Konturierung und/oder Profilierung (28, 30) aufweist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Gehäuses in einem der Permanentmagneteinheit benachbarten und/oder gegenüberliegenden Bereich einen bevorzugt ringförmigen Absatz (28, 30) ausbildet.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse in einem der Permanentmagneteinheit benachbarten und/oder gegenüberliegenden Bereich eine konusförmige Querschnittskontur ausbildet.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung und/oder Konturierung des Gehäuses und/oder der Ankereinheit so gebildet ist, dass eine Kraft-Weg-Kennlinie der von der Permanentmagneteinheit auf die Ankereinheit ausgeübten Rückstellkraft zumindest abschnittsweise linear ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit als Flachanker oder Tauchanker ausgebildet ist und bevorzugt zum Ausbilden eines Stellgliedes zum Zusammenwirken mit einem nachgeschalteten, mittels der Stellvorrichtung zu betätigenden Aggregat ausgebildet ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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