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Dokumentenidentifikation DE102005029018A1 28.12.2006
Titel Elektromagnetischer Stellantrieb
Anmelder MAHLE International GmbH, 70376 Stuttgart, DE
Erfinder Baumbach, Jens, 98693 Ilmenau, DE;
Beyer, Frank, 98693 Ilmenau, DE;
Elsäßer, Alfred, Dr., 75210 Keltern, DE;
Kallenbach, Eberhard, Prof. Dr., 98714 Stützerbach, DE;
Otto, Rainer, 99094 Erfurt, DE;
Schilling, Wolfgang, 71334 Waiblingen, DE;
Schmidt, Jan, 70374 Stuttgart, DE;
Türpe, Dietmar, Dr., 98693 Ilmenau, DE
Vertreter Patentanwalts-Partnerschaft Rotermund + Pfusch + Bernhard, 70372 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 21.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005029018
Offenlegungstag 28.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.12.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb (1) zum Verstellen eines Stellglieds zwischen wenigstens drei Stellungen, umfassend einen weichmagnetischen Anker (2), der mit dem Stellglied antriebsgekoppelt ist und mehrere Ankerflächen (5, 6) aufweist, mehrere weichmagnetische Polelemente (7), die mehrere Polflächen (8, 9) aufweisen, an denen die Ankerflächen (5, 6) in zwei Endstellungen des Ankers (2) zur Anlage kommen, eine Rückstelleinrichtung (10), die den Anker (2) mittels Rückstellkraft in eine liegende Ausgangsstellung antreibt, und eine Halteeinrichtung (11), mit deren Hilfe der Anker (2) in seinen Endstellungen mittels elektromagnetischer Kräfte festlegbar ist.
Um den Stellantrieb (1) preiswerter zu realisieren, kann eine gerade Anzahl von mindestens zwei Polelementen (7) vorgesehen sein, jedem Polelement (7) eine separate elektromagnetische Spule (12) zugeordnet sein und die Halteeinrichtung (11) zum Festlegen des Ankers (2) in dessen Endstellungen die Spulen (12) so bestromen, dass die Polflächen (8, 9) benachbarter Polelemente (7) gegensinnig gepolt sind.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb zum Verstellen eines Stellglieds zwischen wenigstens drei Stellungen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Stellantriebe dieser Art können beispielsweise zur Betätigung eines Lufttaktventils im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine verwendet werden, mit dessen Hilfe eine Impulsaufladung der Brennkraftmaschine erzielt werden kann. Grundsätzlich sind auch andere Anwendungsformen möglich, bei denen ein Stellglied vorzugsweise innerhalb sehr kurzer Schaltzeiten zwischen zwei verschiedenen Schaltstellungen umgeschaltet werden muss. Beispielsweise ist eine Verwendung eines derartigen Stellantriebs zum Verstellen von Gaswechselventilen bei Kolbenmotoren denkbar.

Aus der DE 10 2004 037 360 A1 ist ein Stellantrieb der eingangs genannten Art bekannt, der mit einem weichmagnetischen Anker ausgestattet ist. Dieser Anker ist mit einem Stellglied antriebsgekoppelt und weist mehrere Ankerflächen auf. Des Weiteren weist der Stellantrieb mehrere weichmagnetische Polelemente auf, die mehrere Polflächen aufweisen, an denen die Ankerflächen in zwei Endstellungen des Ankers zur Anlage kommen. Außerdem ist eine Rückstelleinrichtung vorgesehen, die den Anker mittels Federkraft in eine zwischen den Endstellungen liegende Ausgangsstellung antreibt. Mit Hilfe einer Halteeinrichtung kann nun der Anker in seinen Endstellungen mittels elektromagnetischer Kräfte festgelegt werden.

Beim bekannten Stellantrieb ist sämtlichen Polelementen eine gemeinsame elektromagnetische Spule zugeordnet, mit deren Hilfe die zum Festlegen des Ankers in dessen Endstellungen erforderlichen elektromagnetischen Kräfte erzeugt werden können. Durch die Verwendung nur einer einzigen Spule baut der bekannte Stellantrieb vergleichsweise kompakt und preiswert.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen derartigen Stellantrieb eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte und vorzugsweise preiswerte Herstellbarkeit auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die zum Festhalten des Ankers in dessen Endstellungen erforderlichen elektromagnetischen Kräfte mittels mehrerer Spulen zu erzeugen, wobei benachbarte Spulen zur Erzeugung dieser Kräfte gegensinnig gepolt werden. Auf diese Weise ist es möglich, sämtliche Spulen an der Erzeugung der elektromagnetischen Kräfte zum Festlegen des Ankers in der jeweiligen Endstellung zu beteiligen. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass eine einzige Spule zur Erzeugung der erforderlichen elektromagnetischen Kräfte mit vergleichsweise hohen Strömen beaufschlagt werden muss, was einerseits höhere Verluste und eine relativ starke Wärmeentwicklung nach sich zieht. Andererseits ist zum Steuern der großen Ströme eine entsprechend aufwändige Leistungselektronik erforderlich. Eine derartige Leistungselektronik ist ihrerseits vergleichsweise teuer, verbraucht selbst vergleichsweise viel Energie und erzeugt entsprechend viel Abwärme. Im Unterschied dazu können die erforderlichen elektromagnetischen Kräfte mit mehreren Spulen bei deutlich geringeren Strömen innerhalb der einzelnen Spulen realisiert werden, wodurch sich die Verluste und die Wärmeentwicklung verringern. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, dass die zum Schalten bzw. Steuern bzw. Regeln der Spulen erforderliche Elektronik nur noch vergleichsweise geringe Strömen schalten muss, so dass sie entsprechend einfach und preiswert realisiert werden kann und dabei einen vergleichsweise geringen eigenen Strombedarf aufweist und eine entsprechend geringe Wärmeentwicklung zeigt. Obwohl der erfindungsgemäße Stellantrieb mehrere Spulen benötigt, kann er aufgrund der aufgezeigten Vorteile am Ende preiswerter realisiert werden als der bekannte Stellantrieb, der nur eine einzige Spule aufweist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Polelemente und der Anker so aufeinander abgestimmt, dass sich in jeder Endstellung des Ankers ein geschlossener Magnetkreis ausbildet, der benachbarte Polelemente über den Anker miteinander verbindet. Mit Hilfe des über den Anker realisierten magnetischen Schlusses können in den Endstellungen extrem hohe Haltekräfte mit vergleichsweise niedrigen Strömen realisiert werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Wärmeentwicklung vorteilhaft.

Bei einer anderen Ausführungsform bestromt die Halteeinrichtung in beiden Endstellungen des Ankers die Spulen zum Festlegen des Ankers mit gleichbleibender Polung. Das bedeutet, dass zum Umschalten des Ankers zwischen den beiden Endstellungen die Bestromung der Spulen zwar (kurzzeitig) ausgeschaltet wird, damit der Anker von den der einen Endstellung zugeordneten Polflächen abheben kann, jedoch werden die Spulen zum Erzeugen der Haltekraft an den der anderen Endstellung zugeordneten Polflächen nicht umgepolt, sondern bei gleicher Polung lediglich wieder neu bestromt. Auf diese Weise kann die in den Spulen beim Ausschalten verbleibende Energie genutzt werden. Die erforderlichen elektromagnetischen Kräfte können auf diese Weise schneller erzeugt werden. Gleichzeitig sinkt der Strom- bzw. Energiebedarf des Stellantriebs. Darüber hinaus vereinfacht sich die Elektronik zum Steuern bzw. Regeln der Spulenbestromung.

Eine andere wichtige Ausführungsform charakterisiert sich dadurch, dass der Anker in einem Ankerraum angeordnet ist und die Spulen jeweils in einem zum Ankerraum offenen Spulenraum angeordnet sind. Des Weiteren sind die Spulen und der Ankerraum so aufeinander abgestimmt, dass die Spulen in einem fertig gewickelten Zustand bei entferntem Anker in den Ankerraum und von diesem in den jeweiligen Spulenraum einführbar sind. Diese Bauweise hat den großen Vorteil, dass die einzelnen Spulen im Rahmen einer Vormontage komplett gewickelt und fertiggestellt werden können, so dass im Rahmen einer Endmontage nur noch die fertigen Spulen in die Spulenräume eingesetzt werden müssen. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Bauweise, bei der die jeweiligen Spulen unmittelbar am Polelement gewickelt werden müssen, bedeutet dies eine erhebliche Vereinfachung. Dementsprechend lässt sich der erfindungsgemäße Stellantrieb besonders preiswert herstellen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,

1 bis 3 jeweils einen stark vereinfachten, prinzipiellen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Stellantrieb bei unterschiedlichen Ankerstellungen.

Entsprechend den 1 bis 3 umfasst ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Stellantrieb 1 einen Anker 2, der auf nicht dargestellte Weise mit einem ebenfalls nicht gezeigten Stellglied antriebsgekoppelt ist. Beispielsweise sitzt der Anker 2 hierzu drehfest auf einer Welle 3, die um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Die Welle 3 ist dann beispielsweise mit dem nicht gezeigten Stellglied drehfest verbunden, so dass über die Welle 3 der Anker 2 mit dem Stellglied antriebsgekoppelt ist.

Der Stellantrieb 1 zeichnet sich insbesondere durch extrem kurze Schaltzeiten aus. Beispielsweise kann das Stellglied ein Ventil oder eine Klappe oder ein beliebiges anderes Stellorgan sein, das mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit bzw. mit extrem kurzen Schaltzeiten zwischen wenigstens zwei Schaltstellungen umgeschaltet werden soll. Vorzugsweise handelt es sich beim Stellantrieb 1 um einen Hochgeschwindigkeitsstellantrieb zur Betätigung eines Lufttaktventils, das in einem Ansaugtrakt angeordnet ist. Das Lufttaktventil ist dann das vom Stellantrieb 1 zum Verstellen angetriebene Stellglied. Ein derartiger Hochgeschwindigkeitsstellantrieb ist beispielsweise auch aus der DE 101 40 706 A1 bekannt, deren Inhalt hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme zur Offenbarung der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wird.

Ebenso ist eine andere Ausführungsform möglich, bei welcher der Stellantrieb 1 z. B. bei einem elektromagnetischen Ventiltrieb zum Verstellen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine zur Anwendung kommt. Die genannten Anwendungsbeispiele sind rein exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit.

Der Anker 2 weist mehrere Ankerflächen 5 und 6 auf. Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind insgesamt acht Ankerflächen 5, 6 vorgesehen, und zwar vier erste Ankerflächen 5 und vier zweite Ankerflächen 6. Der Anker 2 besteht aus einem weichmagnetischen Werkstoff.

Des Weiteren weist der Stellantrieb 1 mehrere Polelemente 7 auf, die ebenfalls aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehen. Bevorzugt wird dabei eine bezüglich der Drehachse 4 gleichmäßige umfangsmäßige Verteilung der Polelemente 7.

Diese Polelemente 7 weisen mehrere Polflächen 8, 9 auf. Im gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiel sind genau vier Polelemente 7 vorgesehen, die insgesamt acht Polflächen 8, 9 aufweisen, nämlich vier erste Polflächen 8 und vier zweite Polflächen 9. An besagten Polflächen 8, 9 kommen die Ankerflächen 5, 6 in zwei Endstellungen des Ankers 2 zur Anlage.

1 zeigt dabei die erste Endstellung, in der alle ersten Ankerflächen 5 an den ersten Polflächen 8 anliegen. Im Unterschied dazu zeigt 2 die zweite Endstellung, in der sämtliche zweiten Ankerflächen 6 an den zweiten Polflächen 9 anliegen.

Der Stellantrieb 1 ist außerdem mit einer Rückstelleinrichtung 10 ausgestattet. Diese Rückstelleinrichtung 10 ist so ausgestaltet, dass sie den Anker 2 mittels Rückstellkraft in eine Ausgangsstellung antreibt. Diese Ausgangsstellung ist in 3 wiedergegeben und liegt zwischen den beiden Endstellungen. Die Rückstelleinrichtung 10 kann eine oder mehrere Federn umfassen und ist so ausgestaltet, dass sie einer Auslenkung des Ankers 2 aus der Ausgangsstellung in der einen Richtung und in einer entgegengesetzten Gegenrichtung jeweils federnde Rückstellkräfte, also insbesondere Federkräfte, entgegensetzt. Sofern am Anker 2 keine anderen Kräfte eingreifen, stellt sich somit die Ausgangsstellung von selbst ein, so dass diese auch als Neutralstellung bezeichnet werden kann. Vorzugsweise kann die Rückstelleinrichtung 10 durch eine Torsionsfeder gebildet sein, die im vorliegenden Beispiel koaxial im Inneren der Welle 3 angeordnet ist, die hierzu als Hohlwelle ausgebildet ist.

In den Endstellungen kann der Anker 2 entgegen der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung 10 mit Hilfe von elektromagnetischen Kräften festgehalten bzw. festgelegt werden. Hierzu ist eine Halteeinrichtung 11 vorgesehen, die zumindest mehrere elektromagnetische Spulen 12 aufweist sowie eine hier nicht gezeigte Leistungselektronik zum Steuern bzw. Regeln der Spulen 12. Die Halteeinrichtung 11 kann mit Hilfe der Spulen 12 die erforderlichen elektromagnetischen Kräfte erzeugen, mit denen der Anker 2 entgegen der Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung 10 in seinen Endstellungen festgehalten werden kann.

Erfindungsgemäß sind ebenso viele Spulen 12 wie Polelemente 7 vorgesehen. Dementsprechend weist der Stellantrieb 1 vorzugsweise vier Spulen 12 auf. Erfindungsgemäß beträgt die Anzahl der Polelemente 7 zumindest zwei und ist gerade. Also sind grundsätzlich auch zwei oder sechs oder acht Polelemente 7 mit derselben Anzahl an Spulen 12 möglich.

Die Polelemente 7 sind bezüglich der Drehachse 4 radial angeordnet. Die Spulen 12 umschließen jeweils koaxial das zugehörige Polelement 7, so dass eine Wickelachse der jeweiligen Spule 12 ebenfalls radial verläuft.

Die Halteeinrichtung 11 ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass sie für den Fall, dass der Anker 2 in einer seiner Endstellungen festgelegt werden soll, die Spulen 12 so bestromt, dass die Polflächen 8, 9 benachbarter Polelemente 7 gegensinnig magnetisch gepolt sind. Bei den in Umfangsrichtung benachbarten Polelementen 7 wechseln sich somit Plus-Pol und Minus-Pol ab. Die vergleichsweise große Anzahl an Spulen 12 und Polelementen 7, die zur Erzeugung der zum Halten des Ankers 2 benötigten elektromagnetischen Kräfte vorhanden sind, ermöglicht es, die den einzelnen Spulen 12zuzuführenden elektrischen Ströme relativ klein zu halten. Dies führt einerseits dazu, dass innerhalb der einzelnen Spulen 12 nur relativ wenig Wärme erzeugt wird. Zum anderen ist zum Schalten der Spulen 12 nur eine vergleichsweise einfache Leistungselektronik erforderlich, die entsprechend preiswert realisierbar ist und ihrerseits einen vergleichsweise niedrigen Stromverbrauch mit entsprechend niedriger Wärmeentwicklung aufweist. Darüber hinaus werden am Anker 2 die elektromagnetischen Kräfte umfangsmäßig vergleichsweise gleichmäßig verteilt eingeleitet, wodurch auch hier Verluste vermieden werden können. Außerdem kann der Anker 2 in radialer Richtung vergleichsweise klein bauen, wodurch er ein entsprechend kleines Trägheitsmoment aufweist, was schnelle Schaltbetätigungen begünstigt.

Die in Umfangsrichtung abwechselnde Polung der Polelemente 7 begünstigt in den Endstellungen des Ankers 2 die Ausbildung eines magnetischen Schlusses oder Magnetkreises, der benachbarte Polelemente 7 über den Anker 2 miteinander verbindet. Mit Hilfe eines derartigen magnetischen Schlusses können besonders hohe Haltekräfte erzeugt werden, wobei gleichzeitig der hierzu erforderliche Strombedarf sinkt.

Um diesen magnetischen Schluss möglichst effektiv auszugestalten, sind die Ankerflächen 5, 6 und die Polflächen 8, 9 vergleichsweise groß und/oder so ausgestaltet, dass sich eine flächige Kontaktierung zwischen Polflächen 8, 9 und Ankerflächen 5, 6 in der jeweiligen Endstellung ausbildet.

Vorzugsweise kann die Halteeinrichtung 11 außerdem so ausgestaltet sein, dass sie die Spulen 12 zum Festlegen des Ankers 2 in dessen Endstellungen in jeder der beiden Endstellungen mit gleichbleibender elektrischer Polung bestromt. Das heißt, zum Erzeugen der Haltekräfte in der einen Endstellung und zum Erzeugen der Haltekräfte in der anderen Endstellung, werden die Spulen 12 nicht umgepolt, sonder lediglich kurzzeitig ausgeschaltet, unipolarer Betrieb, damit sich der Anker 2 angetrieben durch die Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung 10 aus der jeweiligen Endstellung herausbewegen und in Richtung der anderen Endstellung beschleunigen kann. Da eine Umpolung der Spulen 12 nicht erforderlich ist, können die zum Erzeugen der benötigten Haltekräfte erforderlichen elektromagnetischen Felder besonders rasch aufgebaut werden. Gleichzeitig vereinfacht sich dadurch die Leistungselektronik. Da die elektrische Polung der Spulen 12 in beiden Endstellungen gleich ist, ergeben sich in diesen Endstellungen auch gleiche magnetische Pole an den Polelementen 7, was den 1 und 2 entnehmbar ist.

Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der Anker 2 unsymmetrisch ausgestaltet, und zwar so, dass bei einem Ausgangszustand mit in der Ausgangsstellung gemäß 3 ruhendem Anker 2 eine Bestromung der Spulen 12 elektromagnetische Kräfte erzeugt, die den Anker 2 in Richtung der einen Endstellung stärker anziehen als in der Gegenrichtung zur anderen Endstellung. Erreicht wird dies hier jeweils durch eine Kennlinienbeeinflussung 13, welche die der einen Endstellung zugeordnete Ankerfläche vergrößert. Im vorliegenden Fall wird die der ersten Endstellung gemäß 1 zugeordnete erste Ankerfläche 5 durch die Kennlinienbeeinflussung 13 vergrößert bzw. wird der Abstand zwischen den Ankerflächen 5, 6 und den Polflächen 8, 9 in der Ausgangsstellung unsymmetrisch verändert. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, den in der Ausgangsstellung ruhenden Anker 2 durch eine gezielte Bestromung der Spulen 12 zu Schwingungen anzuregen, diese im Resonanzbereich so weit zu verstärken, dass der Anker 2 in einer seiner Endstellungen aufgefangen werden kann. Zusätzlich oder alternativ zu einer unsymmetrischen Ausgestaltung des Ankers 2 ist es zum selben Zweck ebenso möglich, die Polelemente 7 unsymmetrisch anzuordnen oder unsymmetrisch auszugestalten. Ebenso kann die Ausgangsstellung des Ankers 2 unsymmetrisch zwischen den beiden Endstellungen angeordnet sein.

Entsprechend 1 sind die ersten Polflächen 8 und die ersten Ankerflächen 5 der ersten Endstellung des Ankers 2 zugeordnet, in der sie aneinander anliegen. Im Unterschied dazu sind die zweiten Ankerflächen 6 und die zweiten Polflächen 9 der zweiten Endstellung gemäß 2 zugeordnet, in der sie flächig aneinander anliegen.

Vorzugsweise sind alle Polelemente 7 an einem gemeinsamen Jochkörper 14 ausgebildet. Auf diese Weise kann in den Endstellungen des Ankers 2 ein magnetischer Rückschlusskreis geschlossen werden, was zusätzlich die in den Anker 2 einleitbaren Haltekräfte verstärkt, bei gleichzeitig reduzierten Spulenströmen. Der Jochkörper 14 kann wie hier zweckmäßig bezüglich der Drehachse 4 rotationssymmetrisch ausgestaltet sein und insbesondere einen kreisförmigen Außenumfang aufweisen. Vorzugsweise ist der Jochkörper 14 aus mehreren Lagen eines weichmagnetischen Blechs oder auch aus Kompositmaterial aufgebaut. Außerdem kann der Jochkörper 14 wie hier mit mehreren Montageöffnungen 15 versehen sein, mit deren Hilfe der Jochkörper 14 an einem anderen Bauteil befestigt werden kann.

Der Anker 2 ist in einem Ankerraum 16 angeordnet, der hier im Jochkörper 14, insbesondere zentral, ausgebildet ist. Des weiteren ist jede Spule 12 in einem Spulenraum 17 angeordnet. Jeder Spulenraum 17 ist zum Ankerraum 16 hin offen und umschließt koaxial das jeweilige Polelement 7. Die Spulenräume 17 sind hier ebenfalls im Jochkörper 14 ausgebildet. Die Dimensionierungen der Spulen 12 und des Ankerraums 16 sowie der offenen Seiten der Spulenräume 17 sind bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform so aufeinander abgestimmt, dass die einzelnen Spulen 12 in einem fertig gewickelten Zustand durch den Ankerraum 16 in den jeweiligen Spulenraum 17 einführbar sind, wobei der Anker 2 für diesen Montagevorgang entfernt ist. Diese spezielle Dimensionierung ist für eine serienmäßige Montage des Stellantriebs 1 von besonderer Bedeutung. Denn die Spulen 12 können im Rahmen einer Vormontage gewickelt und fertiggestellt werden, so dass der Jochkörper 14 mit den fertigen Spulen 12 bestückt werden kann. Hierzu wird die jeweilige Spule 12 axial in den Ankerraum 16 eingeführt und anschließend radial in den jeweiligen Spulenraum 17 überführt. Um dies zu ermöglichen, ragen beispielsweise die Polelemente 7 nur so weit in den Ankerraum 16 ein, dass die Spulen 12 noch ohne weiteres in den Ankerraum 16 einführbar sind.

Zur Ausbildung der Ankerflächen 5, 6 am Anker 2 ist der Anker 2 mit mehreren, hier mit vier Flügeln 18 ausgestattet, die sich entlang des Ankers 2 axial erstrecken und von diesem bezüglich der Drehachse 4 radial abstehen. Jeder Flügel 18 trägt eine der ersten Ankerflächen 5 sowie eine der zweiten Ankerflächen 6. Die Anzahl der Flügel 18 stimmt mit der Anzahl der Polelemente 7 überein, ebenso wie deren Anordnung. Dementsprechend sind die Flügel 18 in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet. Jeder Flügel 18 geht an der der ersten Ankerfläche 5 zugeordneten Seite in die Kennlinienbeeinflussung 13 über, um die oben beschriebene Asymmetrie des Ankers 2 zu erzeugen.


Anspruch[de]
Elektromagnetischer Stellantrieb zum Verstellen eines Stellglieds zwischen wenigstens drei Stellungen,

– mit einem weichmagnetischen Anker (2), der mit dem Stellglied antriebsgekoppelt oder antriebskoppelbar ist und der mehrere Ankerflächen (5, 6) aufweist,

– mit mehreren weichmagnetischen Polelementen (7), die mehrere Polflächen (8, 9) aufweisen, an denen die Ankerflächen (5, 6) in zwei Endstellungen des Ankers (2) zur Anlage kommen,

– mit einer Rückstelleinrichtung (10), die den Anker (2) mittels Rückstellkraft in eine zwischen den Endstellungen liegende Ausgangsstellung antreibt,

– mit einer Halteeinrichtung (11), mit deren Hilfe der Anker (2) in seinen Endstellungen mittels elektromagnetischer Kräfte festlegbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

– dass eine gerade Anzahl von mindestens zwei Polelementen (7) vorgesehen ist,

– dass jedem Polelement (7) eine separate elektromagnetische Spule (12) zugeordnet ist,

– dass die Halteeinrichtung (11) zum Festlegen des Ankers (2) in dessen Endstellungen die Spulen (12) so bestromt, dass die Polflächen (8, 9) benachbarter Polelemente (7) gegensinnig gepolt sind,
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Endstellung ein Magnetkreis ausgebildet ist, der jedes Polelement (7) über Anker (2) mit den benachbarten Polelementen (7) verbindet. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (11) in beiden Endstellungen des Ankers (2) die Spulen (12) zum Festlegen des Ankers (2) mit gleichbleibender Polung bestromt. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Anker (2) zwischen seinen Endstellungen um eine Drehachse (4) drehverstellbar gelagert ist, und/oder

– dass die Polelemente (7) bezüglich der Drehachse (4) umfangsmäßig verteilt angeordnet sind, und/oder

– dass die Polelemente (7) bezüglich der Drehachse (4) radial ausgerichtet sind.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass genau vier Polelemente (7) und genau vier Spulen (12) vorgesehen sind. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

– dass die Polelemente (7) unsymmetrisch angeordnet oder ausgestaltet sind, so dass der in seiner Ausgangsstellung ruhende Anker (2) bei einer Bestromung der Spulen (12) in Richtung der einen Endstellung stärker angezogen wird als in der Gegenrichtung, und/oder

– dass der Anker (2) unsymmetrisch ausgestaltet ist, so dass der in seiner Ausgangsstellung ruhende Anker (2) bei einer Bestromung der Spulen (12) in Richtung der einen Endstellung stärker angezogen wird als in der Gegenrichtung,

und/oder

– dass die Ausgangsstellung unsymmetrisch zwischen den Endstellungen angeordnet ist, so dass der in seiner Ausgangsstellung ruhende Anker (2) bei einer Bestromung der Spulen (12) in Richtung der einen Endstellung stärker angezogen wird als in der Gegenrichtung.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Polelement (7) zwei Polflächen (8, 9) aufweist, die jeweils einer der Endstellungen des Ankers (2) zugeordnet sind. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

– dass alle Polelemente (7) an einem gemeinsamen Jochkörper (14) ausgebildet sind, und/oder

– dass der Jochkörper (14) bezüglich einer Drehachse des Ankers (2) rotationssymmetrisch gestaltet ist, und/oder

– dass der Jochkörper (14) aus mehreren Lagen eines weichmagnetischen Blechs oder Kompositmaterials aufgebaut ist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Anker (2) in einem Ankerraum (16) angeordnet ist,

– dass jede Spule (12) in einem zum Ankerraum (16) hin offenen Spulenraum (17) angeordnet ist,

– dass die Spulen (12) und der Ankerraum (16) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Spulen (12) in einem fertig gewickelten Zustand bei fehlendem Anker (2) in den Ankerraum (16) und von diesem in den jeweiligen Spulenraum (17) einführbar sind.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

– dass der Anker (2) für jedes Polelement (7) einen Flügel (18) aufweist, der bezüglich einer Drehachse (4) des Ankers (2) radial vorsteht, und/oder

– dass jeder Flügel (18) zwei Ankerflächen (5, 6) aufweist, die jeweils einer der Endstellungen des Ankers (2) zugeordnet sind, und/oder

– dass die Flügel (18) bezüglich der Drehachse (4) umfangsmäßig verteilt angeordnet sind.






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