DE102004054397B4

DE102004054397B4 - Elektromagnetisches Stellglied

Info

Publication number: DE102004054397B4
Application number: DE102004054397A
Authority: DE
Inventors: Hisashi Yajima; Nobuhiro Fujiwara
Original assignee: SMC Corp
Current assignee: SMC Corp
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: JP2005150305A; US20050104456A1; DE102004054397A1

Abstract

Elektromagnetisches Stellglied mit:
einem festen Kern (10) aus einem magnetischen Material mit einem Paar von Polzähnen (10a, 10b), deren zylindrische und koaxiale Flächen einander über einen Spalt zugewandt sind;
Erregerspulen (11), die um den festen Kern (10) gewickelt sind; und
einem Bewegungsobjekt (4), das in Richtung der Achse koaxial zu den Polzähnen (10a, 10b) beweglich ist,
wobei das Bewegungsobjekt (4) einen ersten zylindrischen Permanentmagnet (15, 15B) aufweist, bei dem der N-Pol und der S-Pol in radialer Richtung magnetisiert sind,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsobjekt (4) einen zylindrischen beweglichen Kern (16) aus einem magnetischen Material aufweist, welcher koaxial mit dem Permanentmagnet (15, 15B) verbunden und zusammen mit dem Magneten (15) verschiebbar ist,
dass die axiale Länge des beweglichen Kernes (16) länger ist als die Länge des Permanentmagneten (15) oder die Länge (L) des Paares von Polzähnen (10a, 10b), wobei Kernabschnitte (16a, 16b) des beweglichen Kerns...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Stellglied nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektromagnetische Linearstellglieder, die ein Bewegungsobjekt in einer geraden Linie antreiben, wobei sie die Magnetkraft nutzen, die beim Aufbringen von Gleichstrom erzeugt wird, sind bspw. als VCM, Elektromagnet oder dgl. bekannt. Im Allgemeinen hat diese Art elektromagnetischer Stellglieder einen begrenzten Hub und kann im Gegensatz zu einem Drehmotor keinen großen Hub erreichen. Der Grund liegt darin, dass der größere Hub eine geringere Schubwirkung bewirkt.
Aus der gattungsgemäßen DE 101 31 155 A1 ist ein magnetisch bewegliches elektromagnetisches Stellglied bekannt ist, das einen festen Kern (Hauptjoch) aus einem magnetischen Material mit einem Paar von Polzähnen aufweist, deren zylindrische und koaxiale Flächen einander über einen Spalt zugewandt sind. Um den festen Kern sind Erregerspulen gewickelt. In einer zentralen Öffnung der Erregerspule ist ein zylindrischer Permanentmagnet angeordnet, der in Radialrichtung mit Nord- und Südpol polarisiert ist und in Axialrichtung der Öffnung bewegbar ist. In der Durchgangsöffnung des Permanentmagneten ist ein feststehendes hinteres Joch aus magnetischem Material vorgesehen. Das hintere Joch verstärkt zwar die Schubkraft gegenüber einem Stellglied, das ohne ein solches hinteres Joch auskommen muss, doch ist auch der hierdurch erzielbare Schub begrenzt.
Auch in den JP 7-94323 A und JP 2002-101631 A wird ein elektromagnetisches Stellglied mit einem Permanentmagneten als Bewegungsobjekt beschrieben. Wenn ein Permanentmagnet als Bewegungsobjekt verwendet wird, kann das Stellglied einen größeren Schub mit niedrigerer Spannung erzeugen als ein Stellglied mit einem Bewegungsobjekt, das aus einem magnetischen Material besteht, wobei das magnetische Material nur magnetisiert wird, wenn eine Magnetkraft aufgebracht wird. Mit dem größeren Schub kann gleichzeitig ein größerer Hub erreicht werden. Insbesondere wird eine magnetische Reluktanz verringert und eine magnetische Anziehungskraft erhöht, indem ein Teil eines magnetischen Weges mit einem hinteren Joch (Rückjoch) ausgebildet wird, wenn das hintere Joch an einer Position vorgesehen und befestigt ist, die dem Permanentmagneten benachbart ist ( JP 2002-101631 A ), wobei ein noch größerer Schub als bei einem Stellglied ohne das hintere Joch realisiert werden kann.
Da aber in manchen Fällen in Abhängigkeit von dem Einsatzgebiet des elektromagnetischen Stellgliedes ein noch größerer Schub erforderlich ist, werden weiter verbesserte Stellglieder gewünscht.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektromagnetischen Stellgliedes mit einem Permanentmagneten als Bewegungsobjekt, mit dem ein größerer Schub erreicht werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Paar von Polzähnen in dem festen Kern an der inneren Umfangsseite der Erregerspulen vorgesehen, das Bewegungsobjekt ist in das Innere der Polzähne eingesetzt, und der Permanentmagnet ist mit dem Bewegungsobjekt so verbunden, dass der Permanentmagnet an dem Außenumfang des beweglichen Kernes angeordnet und den Polzähnen zugewandt ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Paar von Polzähnen in dem festen Eisenkern an der äußeren Umfangsseite der Erregerspule vorgesehen, das Bewegungsobjekt ist außen um die Polzähne vorgesehen, und der Permanentmagnet ist so mit dem Bewegungsobjekt verbunden, dass der Permanentmagnet an dem Innenumfang des beweglichen Kernes angeordnet und den Polzähnen zugewandt ist.
Erfindungsgemäß ist die axiale Länge des Permanentmagneten kürzer als die Länge des Paares von Polzähnen.
Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist das Bewegungsobjekt einen Permanentmagneten auf, eine konkave Nut ist in Umfangsrichtung an dem beweglichen Kern ausgebildet, so dass die Nut den Polzähnen zugewandt ist, der Permanentmagnet ist in die konkave Nut eingesetzt, und die Umfangsfläche des Permanentmagneten und die des beweglichen Kernes, die den Polzähnen zugewandt sind, sind an der selben Umfangsfläche angeordnet (fluchten).
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Bewegungsobjekt zwei Arten von Permanentmagneten, die sich voneinander in der Magnetisierungsrichtung des N-Pols oder des S-Pols unterscheiden, wobei die beiden Arten von Permanentmagneten mehrfach abwechselnd in der axialen Richtung angeordnet sind.
In diesem Fall hat das Bewegungsobjekt vorzugsweise drei Permanentmagneten, und die Gesamtlänge der Mehrzahl von Permanentmagneten und die Länge des beweglichen Kernes sind im Wesentlichen gleich.
Außerdem kann der zylindrische Permanentmagnet in eine Vielzahl von Magnetteilen mit bogenförmigem Querschnitt unterteilt sein.
Ein elektromagnetisches Stellglied gemäß der vorliegenden Erfindung kann einen größeren Schub erreichen, indem ein Permanentmagnet und ein Kern zum Bilden eines Bewegungsobjektes kombiniert werden, im Gegensatz zu einem herkömmlichen elektromagnetischen Stellglied, bei dem ein Bewegungsobjekt allein mit einem Permanentmagneten ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schnitt, der das Prinzip eines elektromagnetischen Linearstellgliedes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Ansicht eines magnetischen Äquivalentschaltkreises für das elektromagnetische Stellglied gemäß 1;
3 ist ein Schaltkreis, der einen nicht erregten Zustand des magnetischen Äquivalentschaltkreises gemäß 2 zeigt;
4 ist ein Schaltkreis, der eine vereinfachte Schaltung des Schaltkreises gemäß 3 zeigt;
5 ist ein Schaltkreis, der einen erregten Zustand des magnetischen Äquivalentschaltkreises gemäß 2 darstellt;
6 ist ein Schaltkreis, der eine vereinfachte Schaltung des Schaltkreises gemäß 5 zeigt;
7 ist ein Schnitt, der das Prinzip eines elektromagnetischen Linearstellgliedes gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Schnitt, der das Prinzip eines elektromagnetischen Linearstellgliedes gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist eine Ansicht eines magnetischen Äquivalentschaltkreises des elektromagnetischen Stellgliedes gemäß 8;
10 ist ein Schnitt, der das Prinzip eines elektromagnetischen Linearstellgliedes gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
11 ist ein Schnitt, der das Prinzip eines elektromagnetische Linearstellgliedes gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
12 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines anderen Aufbaubeispiels eines Permanentmagneten.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt das Prinzip eines elektromagnetischen Stellgliedes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das elektromagnetische Stellglied 1A umfasst einen zylindrischen Elektromagneten 3 und ein Bewegungsobjekt 4, das beweglich in eine zentrale Öffnung 3a des Elektromagneten 3 in Richtung der Achse eingesetzt ist.
Der Elektromagnet umfasst einen festen Kern 10 aus magnetischem Material und eine Gruppe von Erregerspulen 11, die um den festen Kern 10 gewickelt sind. Der feste Kern 10 umfasst ein Paar bestehend aus einem ersten Polzahn 10a und einem zweiten Polzahn 10b, die zylindrisch sind und einander über einen Spalt g koaxial zugewandt sind, flanschartige Seitenwandabschnitte 10c und 10c, die sich von dem hinteren Endabschnitt jeder der Polzähne 10a, 10b zu der äußeren Umfangsseite erstrecken, und einen zylindrischen Hauptwandabschnitt 10d, der die Seitenwandabschnitte 10c, 10c an ihren äußeren Umfangskanten verbindet, wobei die Spule 11 innerhalb des festen Kernes 10 aufgenommen ist, so dass die Spule 11 den Außenumfang der Polzähne 10a und 10b umgibt. Der erste Polzahn 10a und der zweite Polzahn 10b haben den gleichen Durchmesser und die gleiche axiale Länge und sind symmetrisch angeordnet. Außerdem ist die Erregerspule 11 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung verbunden, und auf die Spule 11 wird eine Gleichspannung aufgebracht.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet ”magnetisches Material” ein Material, das magnetisiert wird, wenn es in einem magnetischen Feld angeordnet ist. Ein ”Permanentmagnet” wird nicht als magnetisches Material in diesem Sinne angesehen.
Das Objekt 4 umfasst einen zylindrischen Permanentmagneten 15, in dem der N-Pol und der S-Pol in radialer Richtung magnetisiert sind, und einen zylindrischen beweglichen Kern 16 aus einem magnetischen Material, der koaxial mit dem Permanentmagnet 15 verbunden ist und gemeinsam mit dem Magneten 15 verschoben wird. Der Permanentmagnet 15 hat einen Durchmesser (Außendurchmesser), der größer ist als der Durchmesser des beweglichen Kernes 16. Der Innendurchmesser des Permanentmagneten 15 ist etwa gleich dem Außendurchmesser des Kerns 16. Außerdem hat der bewegliche Kern 16 nahezu eine gleichmäßige Dicke über seine Länge, und seine axiale Länge ist größer als die des Permanentmagneten 15. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Länge des beweglichen Kernes 16 etwa drei Mal so groß wie die des Permanentmagneten 15. Der Permanentmagnet 15 ist fest auf den Außenumfang des beweglichen Kernes 16 aufgesetzt und in dessen mittlerem Bereich befestigt.
Somit stehen der erste Kernabschnitt 16a und der zweite Kernabschnitt 16b des beweglichen Kernes 16 in axialer Richtung des Permanentmagneten 15 über die beiden Seiten vor, wobei sie dem ersten Polzahn 10a bzw. dem zweiten Polzahn 10b zugewandt sind. Der erste Kernabschnitt 16a und der zweite Kernabschnitt 16b haben die gleiche axiale Länge, die etwa der Länge des Permanentmagneten 15 entspricht. Außerdem ist der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 15 und dem ersten Polzahn 10a sowie der Abstand zwischen dem Magneten 15 und dem zweiten Polzahn 10b kleiner als der Abstand zwischen dem ersten Kernabschnitt 16a und dem ersten Polzahn 10a bzw. der Abstand zwischen dem zweiten Kernabschnitt 16b und dem zweiten Polzahn 10b.
Der erste Kernabschnitt 16a und der zweite Kernabschnitt 16b müssen aber nicht notwendigerweise die gleiche Länge haben wie der Permanentmagnet, sie können vielmehr auch kürzer oder länger sein. Außerdem können die beiden Abschnitte zueinander unterschiedliche Längen aufweisen.
Das Größenverhältnis zwischen dem Permanentmagneten 15, dem beweglichen Kern 16 und dem festen Kern 10 ergibt sich vorzugsweise wie folgt. Die axiale Länge des Permanentmagneten 15 ist größer als der Spalt g zwischen dem Paar der Polzähne 10a und 10b, aber kürzer als die zur Verfügung stehende Länge L der Polzähne 10a und 10b. Die Länge des beweglichen Kernes 16 ist größer als die Länge L der Polzähne 10a und 10b. Insbesondere deckt die Länge des Permanentmagneten 15 den Abstand zwischen den beiden Polzähnen 10a und 10b ab. Die Länge wird so festgelegt, dass auch dann, wenn ein Ende des Permanentmagneten 15 ein Bewegungsende des Polzahnes 10a oder 10b erreicht, das andere Ende des Permanentmagneten 15 einen Teil des gegenüberliegenden Polzahnes 10b oder 10a überlappt oder sich diesem annähert.
Bei dem elektromagnetischen Stellglied 1A mit dem oben beschriebenen Aufbau fließt dann, wenn die äußere Umfangsseite des Permanentmagneten 15 als N-Pol magnetisiert ist und die innere Umfangsseite des Permanentmagneten 15 als S-Pol magnetisiert ist (1), ein Gleichstrom durch die Erregerspule 11 in der in 1 gezeigten Richtung, um einen Zustand zu bewirken, bei dem der erste Polzahn 10a des festen Eisenkernes 10 als N-Pol magnetisiert ist, und bei dem der zweite Polzahn 10b des festen Kernes 10 als S-Pol magnetisiert ist. Nachdem eine Abstoßungskraft zwischen dem in dem ersten Polzahn 10a erzeugten N-Pol und dem an der Oberfläche des Außenumfangs des Permanentmagneten 15 erzeugten N-Pol und gleichzeitig eine Anziehungskraft zwischen dem in dem zweiten Polzahn 10b erzeugten S-Pol und dem N-Pol des Permanentmagneten 15 wirkt, erzeugt die Interaktion zwischen diesen Kräften einen Schub in Richtung der Achse, um eine Bewegung des Permanentmagneten, d. h. des gesamten Bewegungsobjektes 4 in der zentralen Öffnung 3a des festen Kernes 10 in Richtung der Achse zu bewirken (in 1 nach rechts).
Da die Polaritäten der in den beiden Polzähnen 10a und 10b erzeugten Pole umgekehrt werden, wenn ein Gleichstrom auf die Erregerspule 11 in einer Richtung aufgebracht wird, die der in 1 gezeigten Richtung entgegengesetzt ist, wird auch die Richtung des Schubes, der auf den Permanentmagneten wirkt, umgekehrt, um eine Bewegung des Bewegungsobjektes 4 in der der oben beschriebenen Richtung entgegengesetzten Richtung zu bewirken, d. h. in 1 nach links.
Da hier das Bewegungsobjekt 4 den beweglichen Kern 16 mit einem magnetischen Material umfasst, wird der Schub, der auf das Bewegungsobjekt 4 wirkt, größer als der lediglich mit dem Permanentmagnet 15 erzeugte. Dieser Punkt wird nachfolgend im Detail erläutert.
2 zeigt einen magnetischen Äquivalentschaltkreis des elektromagnetischen Stellgliedes gemäß 1. Die Bezugszeichen in 2 ergeben sich wie folgt:

Fmc:: eine magnetische Spannung (magnetomotirische Kraft) der Erregerspule 11;
Fmp:: eine magnetische Spannung des Permanentmagneten 15;
Rt:: eine magnetische Reluktanz zwischen den beiden Polzähnen 10a und 10b in dem festen Kern 10;
Rpl:: eine magnetische Reluktanz zwischen dem ersten Polzahn 10a und der Oberfläche des Permanentmagneten 15;
Rpr:: eine magnetische Reluktanz zwischen dem zweiten Polzahn 10b und der Oberfläche des Permanentmagneten 15;
Ril:: eine magnetische Reluktanz zwischen dem ersten Polzahn 10a und dem ersten Kernabschnitt 16 des beweglichen Kerns 16;
Rir:: eine magnetische Reluktanz zwischen dem zweiten Polzahn 10b und dem zweiten Kernabschnitt 16b des beweglichen Kerns 16;
ϕpl:: ein magnetischer (Induktions-)Fluss zwischen dem ersten Polzahn 10a und dem Permanentmagneten 15;
ϕpr:: ein magnetischer Fluss zwischen dem zweiten Polzahn 10b und dem Permanentmagneten 15;
ϕil:: ein magnetischer Fluss zwischen dem ersten Polzahn 10a und dem ersten Kernabschnitt 16a des beweglichen Kerns 16;
ϕir:: ein magnetischer Fluss zwischen dem zweiten Polzahn 10b und dem zweiten Kernabschnitt 16b des beweglichen Kerns 16.

Wenn kein beweglicher Kern 16 existiert, ergibt sich eine Kraft F, die durch magnetische Flüsse, die zwischen dem Bewegungsobjekt 4 (entsprechend dem Permanentmagneten 15) und dem ersten Polzahn 10a und zwischen dem Objekt 4 und dem zweiten Polzahn 10b erzeugt werden, auf das Bewegungsobjekt 4 wirkt, durch folgende Formel (1). In diesem Fall wird die linke Seite in 1 als positiv angesehen. F ∝ ϕpr² – ϕpl² (1)
Auch wenn ein hinterer Kern (siehe das ”hintere Joch” in JP-A 2002-101361 ) anstelle des beweglichen Kernes 16 an einer festen Position befestigt ist, wird außerdem die Kraft F, die auf das Bewegungsobjekt wirkt, durch die gleiche Gleichung wie Gleichung (1) ausgedrückt. Der Grund liegt darin, dass auch wenn die magnetischen Flüsse ϕir und ϕil zwischen dem ersten Polzahn 10a und einem ersten Kernabschnitt des festen hinteren Kerns bzw. zwischen dem zweiten Polzahn 10b und einem zweiten Kernabschnitt des hinteren Kerns erzeugt werden, keine Kraft durch die magnetischen Flüsse als Schub auf das Bewegungsobjekt wirkt.
Wenn das Bewegungsobjekt 4 den beweglichen Kern 16 aufweist und der Kern 16 wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Permanentmagneten 15 verschoben wird, so ergibt sich die Kraft F, die auf das Bewegungsobjekt 4 wirkt, durch folgende Gleichung (2). F ∝ ϕpr² + ϕil² – ϕpl² – ϕir² (2)
ϕpr² und ϕpl² sind Kräfte, die durch magnetische Flüsse, die zwischen dem Permanentmagneten 15 und dem ersten Polzahn 10a bzw. dem Magneten 15 und dem zweiten Polzahn 10b erzeugt werden, auf den Permanentmagneten 15 wirken. ϕil² und ϕir² sind Kräfte, die durch magnetische Flüsse, die zwischen dem beweglichen Kern 16 und dem ersten Polzahn 10a bzw. dem Kern 16 und dem zweiten Polzahn 10b erzeugt werden, auf den Bewegungskern 16 wirken.
Wenn in einem nicht erregten Zustand der Erregerspule 11 ein fließender Strom 0 A beträgt (3), werden durch die magnetische Spannung des Permanentmagneten 15 in einem Schaltkreis in 3 die magnetischen Flüsse ϕp₁ und ϕp₂ erzeugt. Da die Schaltung gemäß 3 wie in 4 gezeigt umgeschrieben werden kann, werden die magnetischen Flüsse ϕp₁ und ϕp₂ durch folgende Gleichungen (3) und (4) erhalten: ϕp₁ = Fmp/(Rpl + Ril) (3) ϕp₂ = Fmp/(Rpr + Rir) (4)
Wenn bpsw. der Permanentmagnet 15 in dem Symmetriezentrum (neutrale Position) ist, werden folgende Gleichungen erhalten: Rpl = Rpr (5) Ril = Rir (6)
Dann wird ϕp₁ = ϕp₂ aus den Gleichungen (3) und (4) abgeleitet. Dementsprechend ergibt sich aus den obigen Gleichungen (1) und (2), dass auf das Bewegungsobjekt 4 keine Kraft wirkt.
Da die Gleichungen (5) und (6) aber nicht zutreffen, wenn der Permanentmagnet 15 nicht an dem Symmetriezentrum ist, wirkt die Kraft auf das Bewegungsobjekt 4, um eine Haltekraft auszuüben.
Wenn dann ein Strom durch die Erregerspule 11 fließt, werden durch den Strom bewirkte magnetische Flüsse ϕc₁, ϕc₂ und ϕc₃ in dem elektromagnetischen Stellglied erzeugt, wie es gemäß 5 gezeigt ist. Da der Schaltkreis in 5 wie in 6 gezeigt umgeschrieben werden kann, werden die magnetischen Flüsse ϕc₁, ϕc₂ und ϕc₃ als folgende Gleichungen (7), (8) und (9) erhalten: ϕc₁ = Fmc/Rt (7) ϕc₂ = Fmc/(Rpl + Rpr) (8) ϕc₂ = Fmc/(Ril + Rir) (9)
Dann werden durch Superposition folgende Formeln (10), (11), (12) und (13) erhalten: ϕpl = ϕp₁ – ϕc₂ (10) ϕil = ϕp₁ – ϕc₃ (11) ϕpr = ϕp₂ + ϕc₂ (12) ϕir = ϕp₂ + ϕc₃ (13)
Wenn kein beweglicher Kern 16 vorliegt, wird eine Kraft, die auf das Bewegungsobjekt 4 (den Permanentmagneten 15) wirkt, wie folgt durch Substituieren der Gleichungen (10) und (12) für Gleichung (1) erhalten: F ∝ ϕpr² – ϕpl² = ϕp₂ ² + 2ϕp₂·ϕc₂ + ϕc₂ ² – (ϕp₁ ² – 2ϕp₁·ϕc₁ + ϕ₂ ²) = 2ϕc₂(ϕp₁ + ϕp₂) (14)
Da die magnetischen Reluktanzen Ril und Rir zwischen dem ersten Kernabschnitt des festen hinteren Kerns und dem ersten Polzahn 10a bzw. zwischen dem zweiten Kernabschnitt des festen hinteren Kerns und dem zweiten Polzahns 10b klein sind, wenn ein fester hinterer Kern vorliegt, der sich nicht bewegt, werden innerhalb des Permanentmagneten 15 die magnetischen Flüsse ϕp₁ und ϕp₂ in der Gleichung (14) größer, so dass die Kraft F, die auf das Bewegungsobjekt 4 wirkt, größer wird als in einem Fall ohne den festen hinteren Kern.
Wenn das Bewegungsobjekt 4 den beweglichen Kern 16 aufweist, der wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform zusammen mit dem Permanentmagneten 15 verschiebbar ist, wirkt die Kraft einschließlich ϕil² und ϕir² durch die magnetischen Flüsse, die zwischen dem beweglichen Kern 16 und dem ersten Polzahn 10a und zwischen dem Kern 16 und dem zweiten Polzahn 10b wie in Gleichung (2) gezeigt erzeugt werden, auf den beweglichen Kern 16. Da außerdem die Änderungen in den Gleichungen (11) und (12) proportional zu ϕc₃ (dementsprechend umgekehrt proportional zur Ril und Rir) sind, versteht es sich, dass die Kraft F, die auf das gesamte Bewegungsobjekt 4 wirkt, noch größer wird als in dem Fall ohne den festen hinteren Kern. Je näher der bewegliche Kern 16 zu dem ersten oder dem zweiten Polzahn 10a oder 10b kommt, desto kleiner wird außerdem die magnetische Reluktanz Ril oder Rir zwischen dem Kern 16 und dem ersten Polzahn 10a oder zwischen dem Kern 16 und dem zweiten Polzahn 10b. Dementsprechend wird der Schub größer. Da das Bewegungsobjekt 4 den beweglichen Kern 16 aus einem magnetischen Material (anders als der Permanentmagnet 15) aufweist, wird der Schub, der auf das Bewegungsobjekt 4 wirkt, viel größer als in einem Fall, der lediglich mit dem Permanentmagneten 15 arbeitet, wodurch zusammen mit dem größeren Schub ein größerer Hub erreicht wird.
7 zeigt ein elektromagnetisches Stellglied gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dem elektromagnetischen Stellglied 1B ist eine konkave Nut 16c in Umfangsrichtung so ausgebildet, dass die Nut 16c Polzähnen 10a und 10b an der Oberfläche des Außenumfangs eines beweglichen Kernes 16 zugewandt ist, wobei ein Permanentmagnet 15 in die konkave Nut 16c eingesetzt und in dieser befestigt ist. Obwohl der Außendurchmesser des Permanentmagneten 15 größer sein kann als der des beweglichen Kernes 16, ist der Durchmesser in dem gezeigten Beispiel so gewählt, dass er etwa gleich dem des beweglichen Kernes 16 ist. Dementsprechend fluchten die Oberfläche des Außenumfangs des Permanentmagneten 15 und die der Außenumfänge des ersten Kernabschnitts 16a und des zweiten Kernabschnitts 16b des beweglichen Kernes 16 im Wesentlichen.
Da die übrigen Elemente und Bereiche der zweiten Ausführungsform im Wesentlichen die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform, werden hierfür gleiche Bezugszeichen verwendet. Auf ihre erneute detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
Da bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Oberfläche des Außenumfangs des Permanentmagneten 15 und die der Außenumfänge beider Kernabschnitte 16a und 16b des beweglichen Kernes 16 fluchten, sind die magnetischen Reluktanzen Ril zwischen dem ersten Kernabschnitt 16a und dem ersten Polzahn 10a und Rir zwischen dem zweiten Kernabschnitt 16b und dem zweiten Polzahn 10b kleiner als Ril und Rir bei der ersten Ausführungsform. Da magnetische Flüsse ϕp₁ und ϕp₂, die zwischen ihnen erzeugt werden, größer werden, wird auch eine Kraft F, die auf das Bewegungsobjekt 4 wirkt, noch größer als bei der ersten Ausführungsform.
8 zeigt ein elektromagnetisches Stellglied gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das elektromagnetische Stellglied 1C unterscheidet sich von dem elektromagnetischen Stellglied 1A der ersten Ausführungsform dahingehend, dass ein Bewegungsobjekt 4 eine Vielzahl von Permanentmagneten 15A, 15B und 15C aufweist, und dass die Permanentmagneten 15A, 15B und 15C kontinuierlich an dem Außenumfang eines beweglichen Kernes 16 in Richtung der Achse vorgesehen sind. D. h., dass die Mehrzahl von Permanentmagneten 15A, 15B und 15C bei der dritten Ausführungsform für ein Set von Erregerspulen 11 und ein Paar von Polzähnen 10a und 10b vorgesehen sind. Zwei Arten von Permanentmagneten, die sich voneinander hinsichtlich der Magnetisierungsrichtung des N-Pols oder des S-Pols unterscheiden, werden für die Mehrzahl von Permanentmagneten verwendet. Diese beiden Arten von Permanentmagneten werden in Richtung der Achse abwechselnd angeordnet. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel werden die ersten bis dritten Permanentmagneten 15A, 15B und 15C verwendet, und die Magnetisierungsrichtung der ersten und dritten Permanentmagneten 15A und 15C, die an den beiden Endseiten angeordnet sind, und diejenige des zweiten Permanentmagneten 15, der zwischen den beiden Magneten 15A und 15C angeordnet ist, sind hinsichtlich der Innen- und Außenseite entgegengesetzt. Die Außendurchmesser und die Längen der drei Permanentmagneten 15A, 15B und 15C sind gleich. Auch die Gesamtlänge der drei Permanentmagneten und die Länge des beweglichen Kernes 16 sind etwa gleich.
Da die anderen Bereiche und Elemente der vorliegenden dritten Ausführungsform im Wesentlichen die gleichen sind wie bei der ersten Ausführungsform, werden hierfür wiederum gleiche Bezugszeichen verwendet. Auf ihre erneute detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
In 9, die einen magnetischen Äquivalentschaltkreis des elektromagnetischen Stellgliedes 1C gemäß der dritten Ausführungsform zeigt, können größere magnetische Flüsse ϕp₁ und ϕp₂ durch magnetische Spannungen Fmpa, Fmpb und Fmpc in den drei Permanentmagneten 15A, 15B und 15C erzeugt werden. Dementsprechend wird eine Kraft F, die auf das Bewegungsobjekt 4 wirkt, noch größer als die Kräfte der ersten und zweiten Ausführungsformen.
10 zeigt ein elektromagnetisches Stellglied gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Unterschied zwischen diesem elektromagnetischen Stellglied 1D und dem elektromagnetischen Stellglied 1B der zweiten Ausführungsform liegt darin, dass die zweite Ausführungsform ein Paar von Polzähnen 10a und 10b in dem festen Kern 10 an der inneren Umfangsseite der Erregerspule 11 aufweist, wobei das Bewegungsobjekt 4 in das Innere dieser Polzähne 10a und 10b eingesetzt ist, während die vierte Ausführungsform ein Paar von Polzähnen 10a und 10b in einem festen Kern 10, der an der äußeren Umfangsseite einer Erregerspule 11 vorgesehen ist, aufweist, wobei ein Bewegungsobjekt 4 außen um die Polzähne 10a und 10b vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist der Durchmesser des Bewegungsobjektes 4 größer gewählt als der des Elektromagneten 3, und der Elektromagnet 3 ist in das Innere des beweglichen Objektes 4 eingesetzt. Dementsprechend hat das Bewegungsobjekt 4 eine Gestalt, bei der eine konkave Nut 16c in Umfangsrichtung so ausgebildet ist, dass die Nut 16c Polzähnen 10a und 10b in dem Bereich des Innenumfangs eines beweglichen Kernes 16 zugewandt ist. Ein Permanentmagnet 15 ist in die konkave Nut 16c eingesetzt und in dieser befestigt. Die Oberfläche des Innenumfangs des Permanentmagneten 15 und die des Innenumfangs eines ersten Kernabschnitts 16a und eines zweiten Kernabschnitts 16b des beweglichen Kernes 16 sind etwa auf der gleichen Umfangsfläche angeordnet (fluchten).
Da die übrigen Bereiche und Elemente der vorliegenden vierten Ausführungsform im Wesentlichen die gleichen sind wie bei der zweiten Ausführungsform, werden gleiche Bezugszeichen wie bei der zweiten Ausführungsform verwendet. Auf ihre erneute detaillierte Beschreibung wird verzichtet. Der Permanentmagnet 15 kann so vorgesehen sein, dass der Magnet 15 von der inneren Umfangsfläche des beweglichen Kerns 16 nach innen vorsteht. Diese Gestaltung ist so, dass sie hinsichtlich der Beziehung zwischen der Innenseite und der Außenseite der ersten Ausführungsform entgegengesetzt ist.
11 zeigt ein elektromagnetisches Stellglied gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieses elektromagnetische Stellglied 1E unterscheidet sich von dem elektromagnetischen Stellglied 1D der vierten Ausführungsform dahingehend, dass ein Bewegungsobjekt 4 eine Vielzahl von (drei) Permanentmagneten 15A, 15B und 15C aufweist, und dass diese Permanentmagneten kontinuierlich an dem Innenumfang eines beweglichen Kernes 16 in Richtung der Achse vorgesehen sind. Die übrigen Bereiche und Elemente der fünften Ausführungsform entsprechen jedoch hinsichtlich folgender Punkte denen der dritten Ausführungsform: zwei Arten von Permanentmagneten, die sich in der Magnetisierungsrichtung des N-Pols oder des S-Pols voneinander unterscheiden, werden als Permanentmagneten verwendet. Beide Arten von Permanentmagneten sind in Richtung der Achse abwechselnd angeordnet. Die Außendurchmesser und die Längen der drei Permanentmagneten 15A, 15B und 15C sind gleich, und die Gesamtlänge dieser drei Permanentmagneten und die Länge des beweglichen Kernes 16 sind etwa gleich. Die Vielzahl von Permanentmagneten 15A, 15B und 15C sind für ein Set von Erregerspulen 11 und ein Paar von Polzähnen 10a und 10b vorgesehen.
Die übrigen Bereiche und Elemente der vorliegenden fünften Ausführungsform entsprechen im Wesentlichen denen der vierten Ausführungsform, so dass die gleichen Bezugszeichen wie bei der vierten Ausführungsform hierfür verwendet werden. Auf ihre erneute detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
Obwohl die zylindrischen Permanentmagneten 15, 15A, 15B und 15C, die bei den oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt wurden, vollständig in einen Körper integriert sind, kann auch jeder von ihnen in eine Vielzahl von Magnetteilen unterteilt sein. 12 zeigt ein Beispiel eines solchen Permanentmagneten mit unterteilten Magnetteilen. Der Permanentmagnet 15 (oder 15A, 15B und 15C) umfasst drei Magnetteile 15a, 15b und 15c mit bogenförmigem Querschnitt und ist durch Kombinieren der Magnetteile zu einem zylindrischen Körper geformt. Außerdem kann der Permanentmagnet in zwei oder vier Magnetteile oder sogar mehr als vier Magnetteile unterteilt sein. Wenn die Magnetteile 15a, 15b und 15c zu einem zylindrischen Körper kombiniert sind, können sie durch Klebstoff oder dgl. zu einem Körper verbunden werden, oder unverbunden bleiben. Außerdem kann jedes der Magnetteile durch gleichmäßiges Unterteilen eines zylindrischen Körpers oder durch ungleichmäßiges Unterteilen des Körpers erhalten werden. Die Magnetteile können auch zu einem zylindrischen Körper angeordnet werden, indem Bogenlängen der Magnetteile 15a, 15b und 15c etwas kleiner gemacht werden als die Länge, die durch einheitliches Unterteilen des zylindrischen Körpers erhalten würde. In diesem Fall werden kleine Lücken zwischen den Teilen vorgesehen.

Claims

Elektromagnetisches Stellglied mit: einem festen Kern (10) aus einem magnetischen Material mit einem Paar von Polzähnen (10a, 10b), deren zylindrische und koaxiale Flächen einander über einen Spalt zugewandt sind; Erregerspulen (11), die um den festen Kern (10) gewickelt sind; und einem Bewegungsobjekt (4), das in Richtung der Achse koaxial zu den Polzähnen (10a, 10b) beweglich ist, wobei das Bewegungsobjekt (4) einen ersten zylindrischen Permanentmagnet (15, 15B) aufweist, bei dem der N-Pol und der S-Pol in radialer Richtung magnetisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsobjekt (4) einen zylindrischen beweglichen Kern (16) aus einem magnetischen Material aufweist, welcher koaxial mit dem Permanentmagnet (15, 15B) verbunden und zusammen mit dem Magneten (15) verschiebbar ist, dass die axiale Länge des beweglichen Kernes (16) länger ist als die Länge des Permanentmagneten (15) oder die Länge (L) des Paares von Polzähnen (10a, 10b), wobei Kernabschnitte (16a, 16b) des beweglichen Kerns (16) in axialer Richtung über den ersten Permanentmagneten (15, 15B) vorstehen und dem Paar von Polzähnen (10a, 10b) zugewandt sind.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Polzähnen (10a, 10b) in dem festen Kern (10) an der inneren Umfangsseite der Erregerspulen (11) vorgesehen ist, dass das Bewegungsobjekt (4) in das Innere der Polzähne (10a, 10b) eingesetzt ist, und dass der erste Permanentmagnet (15, 15B) mit dem Bewegungsobjekt (4) so verbunden ist, dass der Permanentmagnet (15, 15B) an dem Außenumfang des beweglichen Kerns (16) angeordnet und den Polzähnen (10a, 10b) zugewandt ist.
Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar von Polzähnen (10a, 10b) in dem festen Kern (10) an der äußeren Umfangsseite der Erregerspulen (11) vorgesehen ist, dass das Bewegungsobjekt (4) außen um die Polzähne vorgesehen ist und dass der erste Permanentmagnet (15, 15B) mit dem Bewegungsobjekt (4) so verbunden ist, dass der Permanentmagnet (15, 15B) an dem Innenumfang des beweglichen Kernes (16) angeordnet und den Polzähnen (10a, 10b) zugewandt ist.
Stellglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Permanentmagneten (15 15B) kürzer ist als die Länge des Paares von Polzähnen (10a, 10b).
Stellglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem beweglichen Kern (16) in Umfangsrichtung eine konkave Nut (16c) ausgebildet ist, so dass die Nut (16c) den Polzähnen (10a, 10b) zugewandt ist, dass der erste Permanentmagnet (15) in die konkave Nut (16c) eingesetzt ist, und dass die Umfangsfläche des Permanentmagneten (15, 15B) und die des beweglichen Kernes (16), die den Polzähnen (10a, 10b) zugewandt sind, miteinander fluchten.
Stellglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zweite und dritte Permanentmagneten (15A, 15C), die eine andere Magnetisierungsrichtung aufweisen als der erste Permanentmagnet (15B) an beiden Enden des Bewegungsobjektes (4) angrenzend an den ersten Permanentmagneten (15B) angeordnet sind.
Stellglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge der Mehrzahl von Permanentmagneten (15A, 15B, 15C) und die Länge des beweglichen Kernes (16) etwa gleich sind.
Stellglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Permanentmagnet (15, 15A, 15B, 15C) in eine Mehrzahl von Magnetteilen (15a, 15b, 15c) mit bogenförmigem Querschnitt unterteilt ist.