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Dokumentenidentifikation DE102005051798A1 03.05.2007
Titel Elektromagnetische Stellvorrichtung
Anmelder ETO MAGNETIC KG, 78333 Stockach, DE
Erfinder Janisch, Werner, 88696 Owingen, DE
Vertreter Hiebsch und Kollegen, 78224 Singen
DE-Anmeldedatum 27.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005051798
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H01F 7/08(2006.01)A, F, I, 20051027, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 33/00(2006.01)A, L, I, 20051027, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer in einem Gehäuse stationär vorgesehenen Statorwicklung, die zum Erzeugen eines Magnetfelds ansteuerbar sowie zum Zusammenwirken mit einem bewegbar geführten Anker ausgebildet ist, wobei stationär im Gehäuse eine zum Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildete Permanentmagneteinheit vorgesehen ist und der spulen- und/oder wicklungsfrei realisierte Anker so zwischen Statorwicklung und der Permanentmagneteinheit geführt ist, dass als Reaktion auf eine Bestromung der Statorwicklung eine eine Stellkraft auf den Anker ausübende Verdrängung eines von der Permanentmagneteinheit im Anker erzeugten Magnetfelds bewirkt wird.

Beschreibung[de]

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

Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und basiert auf dem Prinzip, dass ein in Wicklungen fließender elektrischer Strom eine Kraft auf einen (typischerweise in einem bewegbaren Anker gehaltenen) Permanentmagneten ausübt. Eine derartige Vorrichtung wird für zahlreiche Bewegungs- und Stellzwecke benutzt, insbesondere auch für Vorrichtungen, bei welchen permanente Hin- und Herbewegungen erforderlich sind.

Unter dem Gattungsbegriff „Voice Coil" sind konkret in diesem Zusammenhang Vorrichtungen gebräuchlich, bei welchen ein zylindrisch realisiertes und axial zueinander ausgerichtetes Spulenpaar in einem Statorgehäuse gehalten ist, dem gegenüber zentrisch ein eine Permanentmagneteinheit aufweisender Anker axial längsbeweglich in der Mitte der Spulen geführt ist. Durch entsprechende, gleichpolige Verschaltung der Einzelwicklungen des Statorwicklungpaares und, je nach Bewegungsrichtung, Umpolen der Ansteuerung wird die Linearbewegung des Ankers hervorgerufen, wobei letztendlich der bekannte Lorentz-Effekt bzw. die daraus resultierende Kraft ausgenutzt wird. Ein Beispiel für eine derartige, bekannte Vorrichtung ist in der DE 103 57 001 der Anmelderin beschrieben.

Gegenüber der ebenfalls traditionell bekannten, alternativen Möglichkeit, bei welcher eine bewegliche Spule zusammen mit einer feststehenden Permanentmagneteinheit wirkt, weist die bekannte Technologie den Vorteil auf, dass (durch die feststehende Spule) keine Zuleitungen (Litzen) beweglich geführt werden müssen, und eine vergleichsweise einfache Kraftübertragung möglich ist. Diesem steht jedoch der Nachteil einer großen bewegten Masse durch die Permanentmagneteinheit im Anker entgegen, wobei dieser zudem in jeweiligen Endbereichen zum Anschlagen neigt. Für eine bidirektionale Bewegung sind zudem zwei feststehende Spulen erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die gattungsbildende Technologie im Hinblick auf die genannten Nachteile zu verbessern bzw. zu vereinfachen, insbesondere die zu bewegende Masse zu verringern (damit den Wirkungsgrad, die mögliche Grenzfrequenz zu erhöhen bzw. Reaktionszeit zu verkürzen und die notwendige Spulenanordnung zu vereinfachen).

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch die Verwendung nach dem unabhängigen Patentanspruch 10 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise wird sowohl eine stationäre (d.h. relativ zum Gehäuse unbewegliche) Statorspule eingesetzt, als auch eine stationäre Permanentmagneteinheit. Zwischen diesen ist erfindungsgemäß ein spulen- bzw. wicklungsloser, bevorzugt permanentmagnetfreier und aus einem magnetisch leitenden Material gebildeter Anker geführt, wobei erfindungsgemäß vorteilhaft das vom Permanentmagneten in den Anker eingebrachte (eingeprägte) Permanentmagnetfeld durch Bestromen der ebenfalls auf den Anker wirkenden Statorwicklung verdrängt und dadurch eine Stellkraft auf den Anker ausgeübt werden kann, mithin dann die Stellwirkung durch die Ankerbewegung erfolgt.

Vorteilhaft wird damit zunächst erreicht, dass der weiterbildungsgemäß aus weichmagnetischem Material (z.B. Weicheisen) röhren- bzw. hülsenförmig und die Permanentmagneteinheit mit Luftspalt umgebend realisierter Anker eine gegenüber dem bekannten Permanentmagnetanker deutlich reduzierte Masse aufweist, gleichzeitig jedoch hohe Stellkräfte ermöglicht (und, durch die reduzierte Masse, eine kürzere Ansprechzeit und höhere Grenzfrequenzen gestattet). Umgekehrt vermeidet ein solcher Anker aus Weicheisen wiederum die mechanischen und Kontaktierungsnachteile einer alternativ bekannten, gegenüber einem stationären Permanentmagneten bewegbar geführten Spule.

Zusätzlich vorteilhaft erfolgt ein Antreiben des Ankers in gegenüberliegende Richtungen lediglich ein Umpolen der (einfachen) Statorwicklung, so dass insbesondere mehrfache Spulen unnötig werden.

Generell zeichnet sich zudem die erfindungsgemäße Vorrichtung, neben der beschriebenen hohen Dynamik und der einfachen Bidirektionalität durch Umpolen, durch günstige Strom-Kraft-Proportionalität, kleine Querkräfte, einen größeren realisierbaren Hub sowie eine größere Hubarbeit aus.

Weiterbildungsgemäß ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die Permanentmagneteinheit aus einem Paar von gleichpolig (d.h. mit aufeinander gerichteten gleichen Polen) aneinander axial angeordneten und längsmagnetisierten Permanentmagneten herzustellen, welche über ein Flussleitelement verbunden sind. Auf diese Weise lassen sich vergleichsweise preiswert Permanentmagneten verwenden, und das diese verbindende Flussleitelement markiert dann den Bereich, an welchem der Permanentmagnetfluss in den relativ zur stationären Permanentmagneteinheit bewegbaren Anker über einen (bedingt durch die Geometrie günstigen) Luftspalt eingebracht wird.

Je nach gewünschtem Bewegungs- bzw. Kennlinienverhalten ist es zudem möglich, den Ankerquerschnitt geeignet auszugestalten, um die gewünschten Betriebseigenschaften zu erreichen. Beispielsweise ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, den Anker längsschnittlich so auszuformen, dass er sich im unbestromten Zustand der Statorwicklung über den Permanentmagnetfluss in der Mitte zwischen den gleichpoligen Permanentmagneten (also im Bereich des Flussleitelements) zentriert; unterstützt wird dies bevorzugt dadurch, dass die wirksame Innenfläche bzw. die Längserstreckung des Ankers in etwa mit der Breite des Flussleitelements korrespondiert (wird im Betrieb etwa der Anker nach unten bewegt, steigt die Flussdichte im oberen Teil des Ankers, wodurch eine Rückstelhkraft auf den Anker ausgeübt wird).

Weiterbildungsgemäß ist es ferner vorgesehen, Jocheinrichtungen in den jeweiligen Anschlag- bzw. Endbereichen des Ankers so vorzusehen, dass diese direkt flussleitend wirken (nämlich wenn sich der Anker dem betreffenden Bewegungsende nähert). In einem solchen Fall würde der über die bestromte Wicklung erzeugte Fluss nicht vollständig über das umschließende Gehäuse, sondern (teilweise) direkt über das Joch fließen und damit eine zusätzliche Stellkraft auf den Anker ausüben, mithin den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöhen bzw. eine weitere Optimierung der Weg-/Kraft-Linie zulassen.

Gemäß einer alternativen Realisierungsform der Erfindung ist es auch möglich, die (bevorzugt rohr- bzw. hülsenförmigen) längsmagnetisierten Permanentmagnete durch radial magnetisierte Magnete (idealerweise auch in Rohrform) zu ersetzen. Gemäß einer bevorzugten Realisierungsform würden hier die Magnetfeldlinien direkt über den Anker, die Statorwicklung und das Gehäuse sowie entsprechend geformte Jocheinheiten wiederum in die Innenseite des -Permanentmagneten geleitet werden.

Eine besonders günstige Verwendung der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn die elektromagnetische Stellvorrichtung zur Realisierung eines Schieberventils verwendet wird. In diesem Fall würde der Anker (ohne dass etwa Federn oder dergleichen weitere Elemente zur Rückstellung notwendig wären) unmittelbar die Ventilschieberfunktion realisieren können, und entweder die Permanentmagneteinheit selbst oder unmittelbar daran ansitzende Führungshülsen würden dann die Steuerkanten bzw. Steueröffnungen zur Realisierung einer solchen Ventileinheit bilden.

Durch das beschriebene, vorteilhafte bidirektionale Verhalten, welches mit der vorliegenden Erfindung einfach realisiert werden kann, lässt sich ein 4-/4-Wegeventil lediglich mit einem Aktor realisieren, wobei dieser (bedingt durch die vorbeschriebene Mitten-Rückstellung) in eine stromlose Sperrstellung konfiguriert werden kann. Vorteilhaft würde etwa das zu schaltende Fluid im Inneren der Permanentmagnete zugeführt bzw. abgeleitet, wobei dann der hülsenförmige Anker durch entsprechende Bewegung den Fluidfluss schalten kann.

Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise eine Variante der Tauchspulentechnologie, welche die Vorteile geringer Massen und schneller Reaktionszeit (einer bekannten, beweglichen Spule) mit dem verbesserten mechanischen Verhalten und schnellerer Kraftwirkung eines Permanentmagnet-Ankers kombiniert, ohne dass jedoch eine Spule oder ein Permanentmagnet in jeweils ineffizienter Weise bewegt werden müssen. Mithin ist die beschriebene Verwendung im Rahmen einer Ventilsteuerung als rein exemplarisch zu verstehen, und es erscheinen zahlreiche Anwendungsfälle denkbar, welche die vorliegende Erfindung zur Optimierung nutzen können.

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

1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform, wobei der bewegbare Anker die Funktion eines aus einer Mittenstellung bidirektional verschiebbaren Ventilschiebers einnimmt;

2 bis 5 verschiedene schematische und geteilte Längsschnitte durch Varianten der Anordnung gemäß 1, wobei der sich aus einer Simulation ergebende magnetische Flussverlauf durch die beteiligten Partner jeweils gezeigt ist und der Einfluss verschiedener Ankerformen beobachtet werden kann;

6 bis 8 vereinfachte Schnittdarstellungen analog 1 der Ventilanordnung zum Verdeutlichen des Ventilbetriebs durch Verschieben des Ankers.

Die 1 zeigt als Längsschnitt, wie in einem Gehäuse 10 eine Permanentmagnetanordnung, bestehend aus einem ersten, oberen Permanentmagneten 12, einem dazu axial zentriert vorgesehenen unteren Permanentmagneten 14 und einem Flussleitelement 16, axial zentriert befestigt ist. Genauer gesagt sind die jeweils längsmagnetisiert ausgebildeten Permanentmagneten 12, 14 so gleichpolig aufeinander gerichtet, dass der Nordpol des oberen Permanentmagneten 12 auf den Nordpol des unteren Permanentmagneten 14 gerichtet ist, wobei zwischen diesen die Flussleiteinheit 16 liegt. Längsbeweglich um die Permanenteinheit bewegbar geführt ist eine hülsenförmige Ankereinheit 18 aus Weicheisen, welche, im dargestellten Ausführungsbeispiel als Ventilschieber realisiert, in der Innenfläche geeignete Aussparungen 20 aufweist und in ihrem mittleren Bereich 22 so profiliert ist, dass eine dort hervorstehende, mit dem Flusselement magnetisch zusammenwirkende Ankerfläche in etwa mit der Außenfläche (und insoweit auch der Längserstreckung) des Flussleitelements 16 korrespondiert.

Den hohlzylindrischen Anker 18 unter Bildung eines Luftspalts umgebend ist wiederum eine (zylindrische) Spulenanordnung 24 stationär im Gehäuse vorgesehen; die 6 bis 8 verdeutlichen exemplarisch die zugehörigen Zuleitungen 26.

Durch geeignete Ausbildung der Ankerkontur wird diese in einer in 1 gezeigten Mittenstellung gehalten, sofern die Spuleneinheit 24 unbestromt ist. Die 4 zeigt einen vergleichbaren Feldverlauf, wobei jedoch hier, wie in der 4 erkennbar ist, der Ankerlängsschnitt unsymmetrisch ist, so dass er sich nicht vollständig in der Mittenstellung befindet; gleichwohl gut erkennbar ist jedoch der sowohl eine obere als auch eine untere Schleife beschreibende Permanentmagnetfluss durch die Permanentmagneteinheit, das Flussleitelement, den Anker, Spule, Gehäuse sowie endseitige Jochbleche 28 bzw. 30 (wobei letztere zum Zweck einer möglichen mechanischen Kraftankopplung an den bewegbaren Anker 18 geeignete Durchbrüche 32 aufweisen).

Im Hinblick auf den magnetischen Fluss (4) sorgt also die Anordnung der Permanentmagneten so, dass durch die Gleichpoligkeit eine Abstoßung erzielt wird, dafür, dass die durch die Permanentmagnete erzeugten Feldlinien in das Flusselement 16 eintreten, radial nach außen durch den Anker und im rechten Winkel durch die Wicklung laufen und sie über das Gehäuse und die Jocheinheiten (28, 30) den Kreis schließen. Bei Bestromung der Spuleneinheit 24 jedoch (die 2 zeigt eine erste Polarität der Bestromung, die 3 zeigt den Feldlinienverlauf bei Umpolung) werden die Magnetfeldlinien aus dem stabilen Mittenzustand jeweils in eine Richtung in der Spuleneinheit sowie damit im gegenüberliegenden Anker verdrängt, entsprechend entsteht eine Stellkraft auf den Anker (das Feldlinienmuster in 2 zeigt entsprechend eine abwärts gerichtete Kraft, das Feldlinienmuster der 3 eine aufwärts gerichtete Stellkraft).

Die 5 zeigt eine Variante zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei hier der Anker längs- bzw. querschnittlich eine andere Kontur aufweist und mithin in seinem Stellverhalten variiert ist, insbesondere hier keine Mittelzentrierung aufweist, vielmehr ist auf die gezeigte Weise eine Bistabilität der Ankerbewegung erreichbar.

Anhand der 6 bis 8 wird die Funktion der in 1 prinzipiell als Ventileinheit beschriebenen Vorrichtung erläutert, wobei die massiv schwarzen Pfeile eintretendes und bis zum Ventilschieber 18 (Anker) fließendes Fluid verdeutlichen, während die weißen Pfeile nach dem Schaltvorgang abfließendes Fluid zeigen. Die 6 und 7 sind zudem in axialer Richtung zueinander um 90 Grad versetzt, also der in 6 mit den kurzen Pfeilen jeweils seitwärts fließend verdeutlichte Fluidfluss fließt in 7 aus der Zeichenebene hinaus bzw. in diese hinein. Es zeigt sich, dass bei der in 6 bzw. 7 gezeigten Ventilstellung zentrisch mittels einer Zuleitung 36 zufließendes Fluid durch die Permanentmagneteinheit geführt und seitlich aus dessen Mantelbereich (im Bereich der Flussführung 16) austreten kann, wobei die profilierten Hohlräume 20 auf der Innenfläche des Ankers 18 dann geeignete Verbindungen zu innenliegenden (38, 7) oder außenliegenden (40, 8) Auslasskanälen herstellen, so dass mit lediglich einem einzigen Anker als Ventilschieber, welcher zudem ohne die Notwendigkeit einer Federvorrichtung mittenzentriert ist, eine erste Position (6, 7) eingestellt und dann durch einfaches Bestromen in eine Richtung der alternative Schaltzustand der 8 realisiert werden kann.

Die 6 und 7 verdeutlichen zudem schematisch, dass gemäß einer weiteren Ausführungsform der Anker zusätzlich mit einer Hülse oder einem Hülsenabschnitt (aus nicht magnetisch leitendem Material) umgeben sein kann, mit der Absicht, das Bewegungsverhalten des Ankers gezielt zu beeinflussen.


Anspruch[de]
Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer in einem Gehäuse (10) stationär vorgesehenen Statorwicklung (24), die zum Erzeugen eines Magnetfelds ansteuerbar sowie zum Zusammenwirken mit einem bewegbar geführten Anker (18) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stationär im Gehäuse eine zum Zusammenwirken mit dem Anker ausgebildete Permanentmagneteinheit (12, 14, 16) vorgesehen ist und der spulen- und/oder wicklungsfrei realisierte Anker so zwischen der Statorwicklung und der Permanentmagneteinheit geführt ist, dass als Reaktion auf eine Bestromung der Statorwicklung eine eine Stellkraft auf den Anker ausübende Verdrängung eines von der Permanentmagneteinheit im Anker erzeugten Magnetfelds bewirkt wird. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker permanentmagnetfrei und insbesondere aus einem weichmagnetischen Material, weiter bevorzugt Weicheisen, hergestellt ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit langgestreckt und sich entlang einer Bewegungsrichtung des Ankers erstreckend ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit mindestens einen entlang der Bewegungsrichtung längsmagnetisierten, bevorzugt zylindrischen Permanentmagneten (12, 14) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit ein Paar von gleichpolig, mittels eines Flussleitelements (16) bevorzugt mittig verbundenen Permanentmagneten (12, 14) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetisch wirksame Innenfläche und/oder Erstreckung des Ankers entlang der Bewegungsrichtung an eine Länge des Flussleitelements angepasst und/oder so bemessen ist, dass in einem unbestromten Zustand der Statorwicklung der Anker relativ zur Permanentmagneteinheit im Bereich des Flussleitelements zentriert wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneteinheit zylindrisch, insbesondere rohrförmig, sowie radial magnetisiert ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker hohlzylindrisch und/oder rohrförmig, die Permanentmagneteinheit berührungslos umgebend im Gehäuse geführt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse stirnseitig in einem Bewegungsendbereich des Ankers eine eine magnetisch leitende Verbindung zu der Permanentmagneteinheit aufweisende Jocheinheit (30, 28) aufweist, die so ausgebildet ist, dass bei bestromter Statorwicklung ein magnetischer Fluss von einer benachbarten Ankerstirnseite unmittelbar in die Jocheinheit fließt. Verwendung der elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Schieberventil, wobei der Anker die Funktion eines Ventilschiebers aufweist und die vom Anker umgebene Permanentmagneteinheit eine Ventilsteuerkante ausbildet. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das federlose Schieberventil unbestromt eine Sperrstellung realisiert und ein zu schaltender Fluidzu- und/oder -abfluss in der Permanentmagneteinheit geführt wird.






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