DE10008668A1

DE10008668A1 - Magnetisch steuerbare Schaltklappe

Info

Publication number: DE10008668A1
Application number: DE2000108668
Authority: DE
Inventors: Robert Vaculik; Thomas Haubold
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-08-30
Also published as: EP1258016A1; WO2001063627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetisch steuerbare Schaltklappe (3; 20) mit mindestens einem Permanentmagneten (4; 24) in der Schaltklappe (3; 20) und einem Elektromagneten (6; 10, 11; 23), wobei sich die Schaltklappe (3; 20) im magnetischen Feld des Elektromagneten (6; 10, 11; 23) befindet und durch dieses in seiner Lage veränderbar ist. Der mindestens eine Permanentmagnet (4; 24) ist in einer vorgegebenen Richtung derart magnetisiert, dass sich die Richtung dieser Feldlinien mit der Bewegungsrichtung der Schaltklappe (3; 20) ändert und die Richtungen der Feldlinien des Permanentmagneten (4; 24) und/oder des Elektromagneten (6; 10, 11; 23) sind so gewählt, dass die Bewegung der Schaltklappe (3; 20) in dem Bereich erfolgt, in dem die Feldlinien der beiden Magneten (4; 24; 6; 10, 11; 23) überwiegend senkrecht zueinander stehen.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine magnetisch steuerbare Schaltklappe nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist beispielsweise aus der DE 40 20 275 A1 bekannt, dass ein Stellantrieb einen Permanentmagneten aufweist, der sich in einem von einem Elektromagneten erzeugten magnetischen Feld bewegen lässt. Hierbei ist der Permanentmagnet derart exzentrisch ausgebildet, dass er sich in Abhängigkeit von der Stromflussrichtung im Elektromagneten in einer ersten oder in einer zweiten Endlage an magnetisierbare Halteelemente anlegt.

Für viele Anwendungsfälle, beispielsweise für Schaltklappen in durchströmten Kanälen oder Rohren, ist es jedoch erforderlich auf mechanische Arretierungen an den Endlagen, z. B. mit einer Sperrklinke, im Bewegungsbereich der Schaltklappe zu verzichten.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisch steuerbares Schaltglied zu schaffen, dass mit einem einfachen Aufbau durch magnetische Kräfte bewegt und gehalten wird.

Vorteile der Erfindung

Ausgehend von einer eingangs erwähnten magnetisch steuerbaren Schaltklappe mit einem Permanentmagneten in der Schaltklappe und einem Elektromagneten, in dessen magnetischen Feld sich die Schaltklappe befindet, ist erfindungsgemäß der Permanentmagnet in vorteilhafter Weise in einer vorgegebenen Richtung derart magnetisiert, dass sich die Richtung dieser Feldlinien mit der Bewegungsrichtung der Schaltklappe ändert. Die Richtungen der Feldlinien des Permanentmagneten und/oder des Elektromagneten sind dabei so angeordnet, dass die Bewegung der Schaltklappe in einem Bereich erfolgen in dem die Feldlinien der beiden Magneten überwiegend senkrecht zueinander stehen.

Eine solche magnetische Schaltklappe ist in vorteilhafter Weise eine Kunststoffklappe, in die ein Permanentmagnet mit eingespritzt ist. Die Bestandteile der Schaltklappe und ihres Gehäuses müssen dabei aus nichtmetallischen Werkstoffen bestehen, so dass sie keinen Einfluss auf das Magnetfeld haben. Die Schaltklappe und der Antrieb bilden hierbei auf einfache Weise eine Einheit, die auch zusammen hergestellt werden können.

Der Permanentmagnet kann ein einfacher Sintermagnet sein, wobei als Grundmaterialien hartmagnetische Werkstoffe auf Eisenbasis kostengünstig zu verwenden sind. Auch Seltenerdemagnete können hier Anwendung finden, da sie eine wesentlich höhere Flußdichte bei allerdings höheren Kosten aufweisen. Weiterhin ist es auch möglich, dass die gesamte Schaltklappe aus kunststoffgebundenem Magnetmaterial gefertigt werden kann.

Obwohl bei der erfindungsgemäßen Anordnung relativ geringe Stellkräfte benötigt werden (< 1 Ncm) lassen sich damit in vorgegebenen Grenzen auch verstellbare Klappen in durchströmten Bereichen realisieren, die mit relativ geringen Kosten herstellbar sind. In gering durchströmten Kanälen, z. B. in akustische Baugruppen, ist eine solche Anordnung vorteilhaft zu realisieren, wenn z. B. lediglich eine Auf-/Zu-Stellung sowie keine hohen Stell- und Haltekräfte gefordert werden.

Zur Absicherung der Auf-/Zu-Stellung kann auf einfache Weise mindestens ein zusätzlicher Haltemagnet angeordnet sein, der so dem Magnetfeld des Permanentmagneten gegenüberliegend angeordnet ist, dass sich durch Anziehungs- oder Abstoßungskräfte vorgegebene Haltestellungen der Schaltklappe Erzeugen lassen. Damit die Schaltklappe in den Endlagen (0°, 90°) definiert anliegt und nicht in jedem beliebigen Winkel verharren kann, kann somit ein Permanentmagnet als Haltemagnet einen sog. Schnappeffekt erzeugen. Der Nordpol dieses kleinen Haltemagneten und der Nordpol des Permanentmagneten in der Schaltklappe stoßen sich bei einer geeigneten Anordnung ab, so dass als Resultat die Schaltklappe zwischen den Endstellungen versucht, diesem Magneten auszuweichen.

Somit ist auf einfache Weise gewährleistet, ohne mechanische Federn oder Arretierungen in den Endstellungen auszukommen. Darüber hinaus könnten auch zwei kleine Haltemagneten an den Endlagen diesen Effekt unter bestimmten Umständen noch verbessern, wobei ein Magnetisierungs-haltestrom hier nicht notwendig ist. Möglich wäre es auch, wenn an die Stelle der zuvor genannten Haltemagnete Weicheisenteile in der Schaltklappe angeordnet sind, die sich im Magnetfeld der Spule ähnlich einem Reedkontakt anziehen und so einen Arretiermechanismus freigeben.

Der wesentliche Bestandteil der magnetischen Schaltklappe ist der Permanentmagnet, der von einer elektrischen Wicklung umgeben ist, welche als Elektromagnet das Betätigungsfeld erzeugt. Wird die elektrische Wicklung bestromt, so versucht sich der Permanentmagnet so in diesem Feld auszurichten, dass er die selbe Richtung einnimmt wie die Magnetlinien des Magnetfeldes. Da die resultierende Kraft für die Bewegung der Schaltklappe am größten ist, wenn die Feldrichtungen senkrecht zueinander stehen, sollte die Klappe so magnetisiert werden, dass die beiden Felder im gesamten Winkelbereich nie parallel zueinander stehen, d. h. nicht genau entgegengesetzt wirken.

Die erfindungsgemäße Schaltklappe ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einem Winkelbereich von ca. 90° rotatorisch verstellbar, so dass sich die Feldlinien des Permanentmagneten im Winkelbereich der Schaltklappenbewegung relativ zu den Feldlinien des Elektromagneten in einem Winkelbereich von ca. 45° bis 135° bewegen.

In besonders vorteilhafter Weise ist der Permanentmagnet so magnetisiert, dass seine Feldlinien einen Winkel von ca. 45° zur Erstreckungsrichtung der Schaltklappe aufweisen. Es ist hier auch möglich, dass die Spule des Elektromagneten so angeordnet ist, dass seine Feldlinien einen Winkel von ca. 45° zu einer Endlage der Schaltklappe aufweisen oder dass eine Kombination beider zuvor beschriebenen Maßnahmen vorgenommen ist. Die jeweiligen Stellungen der Schaltklappe können ev. auch mittels eines magnetfeldempfindlichen Sensors, z. B. eines Hall-Sensors, detektiert und ausgewertet werden.

Ein vorteilhafte Anwendung der magnetisch steuerbaren Schaltklappe kann dadurch realisiert werden, dass sich die Schaltklappe in einem durchströmten Rohr oder Kanal befindet und an einer Achse quer zur Strömungsrichtung derart gehalten ist, dass ein weitgehendes Verschließen oder Öffnen des Durchströmungsquerschnittes mit einer Drehung der Schaltklappe durchführbar ist. Der Elektromagnet ist hier durch eine außen auf das nichtmagnetische Rohr oder den Kanal, im Bereich der Schaltklappe, gewickelte Spule gebildet.

Die Schaltklappe kann hierbei hermetisch dicht in einem Rohr eingesetzt werden, so dass es keine Lagerachsen gibt, die durch das Rohr hindurch reichen. Diese Schaltklappen lassen sich entweder als separates Bauteil komplett fertigen oder als Montageteile als fertig gewickelter Spulenkörper und Schaltklappe in andere Baugruppen mit einsetzen. Die Spule ist dabei um den Träger der Schaltklappe herum gewickelt, also um das Rohr, in dem sie sich befindet. Dabei sollte die Spule so lang sein wie der Magnet selbst, wenn er waagerecht im Rohr liegt.

Betätigbar ist die Schaltklappe durch einen kurzen starken Stromimpuls (ca. 10 A; < 0,2 s). Durch das Umpolen wird die Drehrichtung der Schaltklappe festgelegt. Der für den kurzzeitigen Stromimpuls hoher Stromstärke notwendige Strom kann beispielsweise mit Hilfe von Elektrolytkondensatoren aufgebracht werden.

In vorteilhafter Weise kann die Achse der Schaltklappe auch so angeordnet sein, dass sich eine unsymmetrisch Lage der Schaltklappe im Durchströmungsquerschnitt ergibt. Hierbei kann durch den anliegenden einseitigen Druck des Mediums die Schaltklappe geschlossen gehalten werden. Die Schaltklappe ließe sich dann bei zeitlich kurzer geringerer Druckdifferenz z. B. durch Pulsation öffnen.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Elektromagnet in vorteilhafter Weise durch zwei gleichsinnig hintereinander außen auf das Rohr oder den Kanal gewickelte Spulen gebildet. Zwischen den vorzugsweise gleitend gelagerten Spulen ist ein elastischer Bereich, z. B. ein Faltenbalg, vorhanden und die Achse der Schaltklappe ist über eine Klauenkupplung derart gehalten, dass sie in vorgegebenen Stellungen arretierbar ist, wobei bei einem Stromfluss in den Spulen die Achse für eine Bewegung freigegeben ist. Die Achse ist hierbei vorzugsweise vierkant- oder kreuzschlitzartig geformt. Die Schaltklappe hält bei dieser Ausführungsform einen höheren Gegendruck aus und lässt sich durch eine eventuell starke Strömung im Rohr nicht so leicht verstellen. Die Schaltklappe lässt sich auch hier aus nur wenigen, z. B. Kunststoffspritzgussteilen, herstellen, wobei auch hier der Permanentmagnet direkt in die Schaltklappe eingespritzt ist.

Ein weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der magnetischen Schaltklappe ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schaltklappe in einem durchströmten Rohr oder Kanal befindet und dass der Elektromagnet in Abwandlung zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen innen in einer feststehenden Achse angeordnet ist. In besonders vorteilhafter Weise ist hier die Schaltklappe an nichtmagnetischen Bereichen der feststehenden Achse drehbar gelagert und weist ein Magnetleitblech auf, das auf jeder Klappenseite einen der Spule gegenüberliegenden Permanentmagneten einschließt, wobei diese Blech den magnetischen Fluss schließt.

Bei der zuletzt erwähnten Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise auch der Antrieb der Schaltklappe innerhalb der Achse realisiert werden, wodurch eine besonders hermetische Abdichtung der gesamten Anordnung im Rohr oder im Kanal möglich ist.

Die vorteilhaften Ausführungsformen der magnetischen Schaltklappen können beispielsweise im Bereich akustischer Baugruppen oder auch im Bereich von Klimaanlagen in Fahrzeugen eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung können sogenannte Resonanzklappen im Saugrohr eines Kraftfahrzeuges bei Einhaltung gewisser Grenzwerte in Abhängigkeit von der gewählten Ausführungsform sein. Allgemein schalten die erfindungsgemäßen Schaltklappen sehr schnell und sind auch recht kostengünstig herstellbar, wobei sie auch die Anforderungen an eine Energieeinsparung erfüllen, da sie in ihren Ruhelagen keinen Haltestrom benötigen.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen magnetisch steuerbaren Schaltklappen werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Schaltklappe in einem durchströmten Rohr mit einem Haltemagneten;

Fig. 2 eine Detailskizze des Permanentmagneten und des Haltemagneten nach der Fig. 1 mit den Feldlinienrichtungen;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit zwei Spulen eines Elektromagneten und mechanischer Arretierung sowie

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel mit einem Elektromagneten in einer feststehenden Achse der Schaltklappe.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Rohres 1 gezeigt, das gemäß Pfeil 2 von einem Medium durchströmt ist und eine Schaltklappe 3 aufweist, mit der der Durchströmungsquerschnitt des Rohres 1 verschlossen werden kann. Die Schaltklappe 3 weist einen Permanentmagneten 4 auf und ist um die Achse 5 drehbar im Rohr 1 gelagert. Zur magnetischen Steuerung der Schaltklappe 3 mit dem Permanentmagneten 4 ist außen auf dem Rohr 1 eine Spule 6 angeordnet, die unter Anlage einer elektrischen Spannung an dem + und -Anschluss ein Magnetfeld erzeugt. Zur Unterstützung der Endlagen der Schaltklappe 3 ist weiterhin ein Permanentmagnet 7 als Haltemagnet vorhanden.

Aus Fig. 2 sind die beiden Magneten 4 und 7 und die Spule 6 im Detail zu erkennen, wobei die Richtungen der Magnetisierungen des Permanentmagneten 4 und des Haltemagneten 7 angegeben sind. Hier wird davon ausgegangen, dass die Schaltklappe 3 in einem Winkelbereich von ca. 90° rotatorisch verstellt wird, um den Rohrquerschnitt zu öffnen oder zu verschließen.

Beim in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 4 so magnetisiert, dass seine Feldlinien einen Winkel von ca. 45° zur Erstreckungsrichtung der Schaltklappe 3 aufweisen. Beim Verschließen und Öffnen der Schaltklappe 3 bewegen sich die Feldlinien des Permanentmagneten 4 im Winkelbereich der Schaltklappenbewegung relativ zu den Feldlinien des Elektromagneten 6, bzw. +/-45° zum Haltemagneten 7 oder in einem Winkelbereich von ca. 45° bis 135°.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Elektromagnet durch zwei gleichsinnig hintereinander außen auf das Rohr 1 gewickelte Spulen 10 und 11 gebildet ist. Zwischen den vorzugsweise gleitend über Schienen 12 auf dem Rohr 1 gelagerten Spulen 10 und 11 ist ein Faltenbalg 13 angeordnet, der als elastische Feder die beiden Wicklungen aufeinander drückt. Die Achse 5 der Schaltklappe 3 ist über eine hier nicht näher dargestellte Klauenkupplung derart gehalten, dass sie in vorgegebenen Stellungen arretierbar ist. Bei einem gleichsinnigen Stromfluss in den Spulen 10 und 11 ziehen sich diese an und es wird die Achse 5 für eine Bewegung freigegeben, wobei die Achse 5 hierbei vierkant- oder kreuzschlitzartig geformt ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Elektromagnet zum Antrieb einer Schaltklappe 20 in Abwandlung zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3 innen in einer feststehenden Achse 21 angeordnet, wobei ein Magnetleitblech 22 an den nichtmagnetischen Enden der Achse 21 entlang geführt wird, um einen magnetischen Kurzschluss auszuschließen. Die Schaltklappe 20 wird hier an nichtmagnetischen Bereichen der feststehenden Achse 21 drehbar gelagert. Das Magnetleitblech 22 schließt auf jeder Seite der Schaltklappe 20 einen einer Spule 23 des Elektromagneten gegenüberliegenden Permanentmagneten 24 ein.

Claims

1. Magnetisch steuerbare Schaltklappe (3; 20), mit

- mindestens einem Permanentmagneten (4; 24) in der Schaltklappe (3; 20) und einem Elektromagneten (6; 10, 11; 23), wobei sich die Schaltklappe (3; 20) im magnetischen Feld des Elektromagneten (6; 10, 11; 23) befindet und durch dieses in seiner Lage veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- der mindestens eine Permanentmagnet (4; 24) in einer vorgegebenen Richtung derart magnetisiert ist, dass sich die Richtung dieser Feldlinien mit der Bewegungsrichtung der Schaltklappe (3; 20) ändert und dass
- die Richtungen der Feldlinien des Permanentmagneten (4; 24) und/oder des Elektromagneten (6; 10, 11; 23) so gewählt sind, dass die Bewegung der Schaltklappe (3; 20) in dem Bereich erfolgt, in dem die Feldlinien der beiden Magneten (4; 24; 6; 10, 11; 23) überwiegend senkrecht zueinander stehen.

2. Magnetisch steuerbare Schaltklappe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- mindestens ein zusätzlicher Haltemagnet (7) vorhanden ist, der so dem Magnetfeld des Permanentmagneten (4; 24) gegenüberliegend angeordnet ist, dass sich durch Anziehungs- oder Abstoßungskräfte vorgegebene Haltestellungen der Schaltklappe (3; 20) erzeugen lassen.

3. Magnetisch steuerbare Schaltklappe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Schaltklappe (3; 20) in einem Winkelbereich von ca. 90° rotatorisch verstellbar ist und sich die Feldlinien des Permanentmagneten (4; 24) im Winkelbereich der Schaltklappenbewegung relativ zu den Feldlinien des Elektromagneten (6; 10, 11; 23) in einem Winkelbereich von ca. 45° bis 135° bewegen.

4. Magnetisch steuerbare Schaltklappe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Permanentmagnet (4) so magnetisiert ist, dass seine Feldlinien einen Winkel von ca. 45° zur Erstreckungsrichtung der Schaltklappe (3) aufweisen oder die Spule des Elektromagneten (6; 10, 11) so angeordnet ist, dass seine Feldlinien einen Winkel von ca. 45° bis 135° zu den Endlagen der Schaltklappe (3; 20) aufweisen oder dass eine Kombination beider Maßnahmen vorgenommen ist.

5. Magnetisch steuerbare Schaltklappe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- das sich die Schaltklappe (3) in einem durchströmten Rohr oder Kanal (1) befindet und an einer Achse (5) quer zur Strömungsrichtung (2) derart gehalten ist, dass ein weitgehendes Verschließen oder Öffnen des Durchströmungsquerschnittes mit einer Drehung der Schaltklappe (3) durchführbar ist und dass
- der Elektromagnet (6; 10, 11) durch eine außen auf das nichtmagnetische Rohr oder den Kanal (1), im Bereich der Schaltklappe (3) gewickelte Spule (6; 19, 11) gebildet ist.

6. Magnetisch steuerbare Schaltklappe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Achse der Schaltklappe so angeordnet ist, dass sich eine unsymmetrisch Lage der Schaltklappe im Durchströmungsquerschnitt ergibt.

7. Magnetisch steuerbare Schaltklappe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Elektromagnet durch zwei gleichsinnig hintereinander außen auf das Rohr oder den Kanal (1) gewickelte Spulen (10, 11) gebildet ist, dass
- zwischen den Spulen ein elastischer Bereich (13) vorhanden ist, über den die Spulen (10, 11) auf dem Rohr oder dem Kanal (1) beweglich und auseinanderdrückbar sind und dass
- die Achse (5) der Schaltklappe (3) über eine Klauenkupplung derart gehalten ist, dass sie in vorgegebenen Stellungen arretierbar ist, wobei bei einem Stromfluss in den Spulen (10, 11) die Achse (5) durch die gegenseitige Anziehung der Spulen (10, 11) für eine Bewegung freigegeben ist.

8. Magnetisch steuerbare Schaltklappe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- das sich die Schaltklappe (20) in einem durchströmten Rohr oder Kanal (1) befindet und an einer im Rohr oder im Kanal (1) feststehenden Achse (21) quer zur Strömungsrichtung derart gehalten ist, dass ein weitgehendes Verschließen oder Öffnen des Durchströmungsquerschnittes mit einer Drehung der Schaltklappe (20) auf der feststehenden Achse (21) durchführbar ist und dass
- der Elektromagnet (23) innen in der feststehenden Achse angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass

- ein Magnetleitblech (22) an nichtmagnetischen Bereichen der feststehenden Achse (21) drehbar gelagert ist und auf jeder Seite der Schaltklappe (20) einen der Spule (10, 11) gegenüberliegenden Permanentmagneten (24) einschließt.