DE10153013A1 - Drehstelleranordnung mit Hubmagnet, sowie Hubmagnet mit elektrischer Überwachung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hubmagneten mit einem zwischen einer angezogenen und einer abgehobenen Schaltstellung bewegbaren Anker und einer Einrichtung zur sicheren Erkennung dieser Schaltstellungen sowie einen Drehsteller mit einem derartigen Hubmagneten.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Drehstelleranordnung mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruches 1, sowie einen Hubmagneten mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruches 2.
• Hubmagnete werden bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen als elektromagnetische Aktuatoren eingesetzt, beispielsweise in elektromagnetischen Ventilen, in elektromagnetischen Verriegelungsvorrichtungen, in Relais und dergleichen.
• Ein spezielles Anwendungsfeld betrifft die Verwendung eines Hubmagneten als Aktuator in einem elektromechanischen Schalter, insbesondere in einem Drehsteller.
• Hierbei wird ein Hubmagnet beispielsweise dazu benutzt, um eine Rast- oder Anschlagvorrichtung des Drehstellers zu betätigen, um damit eine vorbestimmte Haptik eines mit der Stellachse verbundenen Bediengliedes einzustellen, bzw. um durch Blockierung der Stellachse einen Anschlag zu simulieren.
• Ein derartiger Drehsteller ist in der deutschen Patentanmeldung DE 100 41 935.6 vorgeschlagen worden.
• Die Funktionsweise des vorgeschlagenen Drehstellers ist schematisch in Fig.2a, b dargestellt.
• Der vorgeschlagene Drehsteller DS enthält eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Stellwelle 10 mit vorzugsweise mehreren, in unterschiedlichen Ebenen an der Stellwelle 10 angeordneten Rast- und/oder Anschlaganordnungen. Die in Fig. 2a, b dargestellte Rastanordnung 11 besteht dabei im wesentlichen aus radial an der Stellwelle angebrachten Rasthülsen 12 mit darin enthaltenen, axial beweglichen, federbelasteten Rastbolzen 14. Den Rastbolzen 14 einer Ebene ist jeweils ein als Rastring ausgestaltetes Halteelement 16 mit einer daran befindlichen Rastkurve 15 zugeordnet. Das Halteelement 16 kann durch ein steuerbares Feststellelement 17 - hier realisiert durch eine um den Rastring gelegte Spannschelle - mit Hilfe eines Hubmagneten HM (relativ zum hier nicht dargestellten Gehäuse) blockiert bzw. freigegeben werden. Dazu ist das Joch 2 mit einem Ende 17a der Spannschelle 17 und der Anker 1 mit dem anderen Ende 17a der Spannschelle 17 verbunden. Mit dem Bezugszeichen K versehen ist die Kontrollvorrichtung, welche den Hubmagneten HM ansteuert.
• Fig. 2a zeigt den deaktivierten Zustand des Feststellelementes 17: der Hubmagnet HM ist nicht bestromt und der Rastring unwirksam geschaltet.
• Fig. 2b zeigt den aktivierten Zustand des Feststellelementes 17: der Hubmagnet wird bestromt und die (verzahnte) Spannschelle 17 wird gegen den (verzahnten) Rastring gezogen, wodurch dieser bezüglich des Gehäuses fesgelegt wird. Dadurch kann die Rastanordnung 11 reibschlüssig gegen die Rastkurve 15 "arbeiten".
• Da vorzugsweise mehrere aktivierbare Rastanordnungen 11 in unterschiedlichen Ebenen an der Stellwelle vorhanden sind, können mit Hilfe der Kontrollvorrichtung K unterschiedliche Haptiken ausgewählt werden.
• In völlig analoger Weise kann das Feststellelement 17 auch zur Aktivierung einer Anschlaganordnung - beispielsweise realisiert durch einen im wesentlichen drehfest mit der Stellachse verbundenen "Bremsflansch" - benutzt werden, wobei die Stellwelle 10 durch Aktivierung der Feststelleinrichtung (s. o.) unmittelbar blockiert wird.
• Zur sicheren Steuerung der Rast- bzw. Anschlaganordnung ist eine zuverlässige Erkennung des Schaltzustandes des Hubmagneten HM erforderlich, d. h. es ist eine Überwachung notwendig.
• Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise eines Hubmagneten sind bekannt: ein Hubmagnet besteht im wesentlichen aus einem ferromagnetischen Joch hoher Permeabilität, welches zumindest partiell von einer Wicklung (Spule) (zumeist) hoher Windungszahl umwickelt bzw. von der Spule umgeben ist. Beweglich im Joch ist ein ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material gefertigter Anker geführt. Der Anker ist dabei typischerweise im wesentlichen zylindrisch ausgeformt und befindet sich in einer entsprechenden, hohlzylindrischen Aufnahme im Joch.
• Joch und Anker bilden dabei im bestromten Zustand der Spule einen im wesentlichen geschlossenen, von einem magnetischen Fluß durchfluteten Magnetkreis. In dieser Schaltstellung ("Anker angezogen") berührt der Anker mit seiner Stirnfläche eine zugeordneten Fläche des Joches.
• Zur Erzeugung eines möglichst großen magnetischen Flusses liegen die Berührflächen möglichst spaltfrei aufeinander.
• Versucht man dagegen den Anker vom Joch abzuziehen, so bilden sich in dem entstehenden Luftspalt magnetische Kräfte aus, welche den Anker zurück gegen das Joch zu ziehen suchen. Durch definierte Bestromung der Wicklung kann daher der in einem hinreichend geringen Abstand vom Joch befindliche Anker, beispielsweise entgegen einer Federkraft, gegen das Joch gezogen werden. Entsprechend kann durch Unterbrechung des Wicklungsstromes der Anker durch die (Feder-)kraft wieder vom Joch abgelöst werden. Der Bestromung bzw. der Nicht-Bestromung der Spule entsprechen daher zwei definierte Schaltstellungen des Hubmagneten.
• Für die Überwachung der Schaltstellungen des Hubmagneten (Anker angezogen/Anker abgehoben) kann zunächst der Wicklungsstrom herangezogen werden. In der US 5,754,387 wird ein Verfahren zur Überwachung eines Relais beschrieben, bei welchem der Strom durch die Wicklung mit Hilfe einer Sensoreinrichtung zeitaufgelöst erfasst wird.
• Aus dem Vergleich des Haltestroms mit einem vorgegebenen Referenzwert wird auf eine korrekte bzw. fehlerhafte Schaltstellung des Hubmagneten geschlossen.
• Desweiteren ist bekannt, verschiedenartige Typen von Schaltelementen (z. B. Mikroschalter oder optische Schalter, wie Lichtschranken) zur Erkennung des Schaltstellung zu verwenden. Dabei werden die Schaltelemente durch die Hubbewegung des Ankers betätigt. In der US 3,401,362 ist beispielsweise die Verwendung eines magnetisch betätigbaren Schalters ("gas switch") beschrieben.
• Schließlich ist in der US 5,032,812 ist ein elektromagnetischer Aktuator offenbart, welcher zur Erkennung der Schaltstellung einen magnetischen Flußsensor benutzt.
• Die Realisierung dieser vorgenannten Überwachungsvorrichtungen ist jedoch vergleichsweise aufwendig und kostenintensiv.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Hubmagnet mit einer besonders einfach realisierbaren Überwachung der Schaltstellung, sowie die Schaffung einer Drehstelleranordnung mit einem derartigen Hubmagneten.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Drehstelleranordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1, sowie durch einen Hubmagneten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 2. Der erfindungsgemäße Hubmagnet ist zunächst in herkömmlicher Weise aus einem ferromagnetischen Joch, einem beweglichen, ferromagnetischen Anker und einer Wicklung aufgebaut. Dabei "gleitet" der vorzugsweise im wesentlichen zylindrische Anker in einer elektrisch isolierten Aufnahme innerhalb des Joches.
• Das elektrisch leitfähige Joch und der elektrisch leitfähige Anker sind dabei jeweils mit Anschlußdrähten versehen und dadurch mit einer Kontrollvorrichtung verbunden.
• Stirnseitig ist die Aufnahme durch eine elektrisch leitende, ebene Kontaktfläche abgeschlossen. Eine zweite, korrespondierende Kontaktfläche ist stirnseitig am Anker angebracht. Bei angezogenem Anker liegen diese beiden Flächen im wesentlichen spaltfrei aufeinander und Anker und Joch sind elektrisch kurzgeschlossen. In angezogenem Zustand des Ankers ist der elektrische Widerstand zwischen den Anschlußdrähten daher aufgehoben, wogegen bei abgehobenem Anker ein hoher Widerstand zwischen den Anschlußdrähten gemessen wird, da Anker und Joch in dieser Schaltstellung elektrisch voneinander isoliert sind.
• Durch eine Messung des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Anschlußdrähten kann daher die Schaltstellung des Ankers bestimmt werden.
• In Fig. 1a und 1b ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubmagneten HM dargestellt.
• Die magnetischen Feldlinien sind dabei schematisch durch punktierte Linien angedeutet.
• Der Hubmagnet HM besteht aus einem Anker 1, einem Joch 2 und einer innenliegenden Wicklung 3. Die Wicklung 3 wird über eine Stromquelle (hier angedeutet durch eine Spannungsquelle U mit einem Vorwiderstand) gespeist. Der Wicklungsstrom kann über den Schalters S zu- oder abgeschaltet werden. Auf den Anker wird eine Kraft F (schematisch dargestellt durch eine Zugfeder 9) ausgeübt.
• Der bewegliche Anker 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen zylindrisch ausgestaltet und ist in einer hohlzylindrischen Aufnahme geführt.
• Eine Isolation 4 isoliert den Anker elektrisch vom Joch 2. Die Isolation ist vorzugsweise im Bereich 8 vergleichsweise dünn ausgelegt, damit zwischen Joch 2 und Anker 1 nur ein möglichst schmaler, den magnetischen Fluß nur wenig reduzierender Spalt entsteht. Die Isolation 4 kann beispielsweise aus einer dünnen Isolationsfolie oder einer isolierenden Schicht bestehen (z. B. eine Lackschicht). Eine weitere Möglichkeit besteht im Aufbringen eines isolierenden Films durch ein Dünnschichtverfahren (beispielsweise ein Quarzfilm). Vorzugsweise ist der Anker gleitend gelagert und das Anker- und Isolationsmaterial so ausgewählt, daß die Materialpaarung einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aufweist.
• Die Isolation 4 kann dabei entweder an der Innenwandung der hohlzylindrischen Aufnahme oder an der Mantelfläche des Ankers angebracht sein.
• Bei einer Ausgestaltung des Hubmagneten - ähnlich der in Fig. 1a, b dargestellten - steht der Anker 1 über den größten Bereich seiner Mantelfläche in direkten Kontakt mit der Wicklung 3. Da die Wicklung als solche bereits isoliert ist, kann bei entsprechender konstruktiver Auslegung der Wicklungsisolation in vielen Fällen auf eine gesonderte Isolation der Aufnahme - zumindest teilweise - verzichtet werden.
• Es kann im übrigen auch vorgesehen sein, daß der Anker 1 rollend (beispielsweise mit Hilfe von isolierenden Kugeln aus Glas oder Keramik) gelagert ist.
• Mit den Bezugszeichen 6 bzw. 6' sind die stirnseitigen (Kontakt-)Flächen von Anker 1 und Joch 2 bezeichnet. Zur Vermeidung von Kontaktkorrosion können die Flächen 6, 6' mit einem leitfähigem, nicht- bzw. schwer- oxidierbaren Material (z. B. Gold) beschichtet werden.
• Zur Vermeidung von störenden Geräuschen z. B. beim Anziehen des Ankers kann zumindest eine der Flächen 6, 6' auch mit einem elektrisch (und magnetisch) leitfähigem und dabei gleichzeitig geräuschdämpfenden Kontaktelement versehen werden. Ein solches Kontaktelement kann beispielsweise aus einem elastischen Verbundstoff hergestellt werden, wobei der Verbundstoff z. B. aus einem Elastomer (z. B. Silikon) mit darin eingebrachten Eisenspänen besteht.
• Bei angezogenem Anker 1 (Schalter S geschlossen) entsteht zwischen Anker 1 und Joch 2 ein Kurzschluß und in der Kontrollvorrichtung K vorgesehene Mittel zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes 7 (hier schematisch angedeutet durch ein Meßgerät) ermitteln einen geringen Widerstand (Fig. 1b).
• Wird der Stromfluß durch die Wicklung 3 dagegen unterbrochen (Schalter S offen), zieht die Kraft F den Anker vom Joch ab und der Kurzschluß wird aufgehoben (Fig. 1a).

Claims (13)

1. Drehstelleranordnung, umfassend eine Kontrollvorrichtung (K) und einen damit steuerbaren Drehsteller (DS), enthaltend eine in einem Gehäuse drehbar gelagerte Stellwelle (10) mit zumindest einer daran vorgesehenen Rast- oder Anschlaganordnung (11) mit einem Halteelement (16), welches zur Aktivierung der Rast- oder Anschlaganordnung (11) durch ein zugeordnetes, durch einen in zwei Schaltstellungen bringbaren Hubmagneten (HM) steuerbares Feststellelement (17) bezüglich des Gehäuses brems- oder festlegbar ist, wobei der Hubmagnet (HM) von der Kontrollvorrichtung (K) angesteuert wird und einen aus einem Joch (2) und einer beweglichen Ankeranordnung bestehenden Magnetkreis, sowie eine Wicklung (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anker (1) und Joch (2) eine elektrische Isolation (4) vorhanden ist, welche so angeordnet und ausgebildet ist, daß Anker (1) und Joch (2) in der abgehobenen Schaltstellung gegeneinander elektrisch isoliert sind und in der angezogenen Schaltstellung dagegen elektrisch leitend verbunden sind, daß Anker (1) und Joch (2) mit der Kontrollvorrichtung (K) leitend verbunden sind und daß die Kontrollvorrichtung (K) Mittel (7) zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes zwischen Anker (1) und Joch (2) enthält, wodurch die Schaltstellung des Ankers (1) bestimmbar ist.

2. Hubmagnet (HM), bestehend aus einem vorzugsweise ferromagnetischen Joch (2) und einem darin beweglich gelagerten, ferromagnetischen Anker (1), wobei das Joch (2) und der Anker (1) durch einen von einer Wicklung (3) erzeugten magnetischen Fluß durchflutbar sind und wobei der Anker (1) zwischen einer der Bestromung der Wicklung (3) zugeordneten, angezogenen Schaltstellung und einer der Nichtbestromung der Wicklung (3) zugeordneten, abgehobenen Schalstellung bewegbar ist und wobei sich Anker (1) und Joch (2) in der angezogenen Schaltstellung mit zwei im wesentlichen ebenen Flächen (6) und (6') berühren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anker (1) und Joch (2) eine elektrische Isolation (4) vorhanden ist, welche so angeordnet und ausgebildet ist, daß Anker (1) und Joch (2) in der abgehobenen Schaltstellung gegeneinander isoliert ist und in der angezogenen Schaltstellung dagegen elektrisch leitend verbunden sind, und daß Anker (1) und Joch (2) mit einer Kontrollvorrichtung (K) elektrisch leitend verbunden sind, wobei die Kontrollvorrichtung (K) Mittel zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes (7) zwischen Anker (1) und Joch (2) enthält.

3. Hubmagnet (HM) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, und daß im Joch eine korrespondierende, im wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführte Aufnahme vorhanden ist, in welcher der Anker (1) elektrisch isoliert vom Joch (2) geführt wird.

4. Hubmagnet (HM) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation (4) aus einem spritzgegossenen Kunststoffmaterial besteht.

5. Hubmagnet (HM) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation aus einer isolierenden Folie besteht.

6. Hubmagnet (HM) nach einem der Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation aus einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht besteht, welche auf die Mantelfläche des Ankers (1) und/oder auf die Innenwandung der Aufnahme aufgebracht ist.

7. Hubmagnet (HM) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker gleitend in der Aufnahme gelagert ist.

8. Hubmagnet (HM) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material von Isolation (4) und Joch (1) so gewählt wird, daß die Materialpaarung einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten aufweist.

9. Hubmagnet (HM) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker rollend in der Aufnahme gelagert ist.

10. Hubmagnet (HM) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der planen Flächen (6, 6') mit einer nicht- bzw.- schwer-oxidierbaren Schicht, insbesondere aus Gold versehen ist.

11. Hubmagnet (HM) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Flächen (6, 6') mit einem elastischen, elektrisch und magnetisch leitfähigem Kontaktelement versehen ist.

12. Hubmagnet (HM) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktelement aus einem Verbundwerkstoff aus einem Elastomer und darin eingebrachten metallischen, ferromagnetischen Partikeln, insbesondere Eisenspäne, besteht.

13. Hubmagnet (HM) nach einem der Ansprüche 2-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubmagnet (HM) ein Aktuator in einer elektromechanischen Schalteinrichtung ist.