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Die
Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit einem Permanentmagneten
gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein
solcher Elektromagnet ist aus der
DE 44 39 695 C2 bekannt, der als Magnetventil
aufgebaut ist. Bei diesem Elektromagnet ist neben der Erregerspule
ein axial zu einem Anker angeordneter Permanentmagnet vorgesehen,
der dazu dient, in unbestromten Zustand der Erregerspule das Ventil
gegen eine vorgespannte Druckfeder geschlossen zu halten. Um das Öffnen
des Ventils zu bewirken, ist eine ebenfalls den Anker als auch den
Permanentmagneten umschließende, zweite Erregerspule in
dem Gehäuse angeordnet, um die Magnetkraft des Permanentmagneten
zu neutralisieren.
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Der
Nachteil dieses bekannten Elektromagneten liegt darin, dass zur
Neutralisation des Permanentmagneten eine zusätzliche Erregerspule
vorgesehen ist, dadurch eine sehr hohe Auslöseenergie erforderlich
ist, um den Anker aus der von dem Permanentmagneten gehaltenen ersten
Position in eine zweite Position zu bewegen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagneten
mit einem Permanentmagneten anzugeben, bei dem das Auslösen
eines durch den Permanentmagneten gegen die Federkraft einer Druckfeder
gehaltenen Ankers nur eine geringe Auslöseenergie erfordert
und einfach herzustellen ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromagneten mit einem
Permanentmagneten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei
diesem erfindungsgemäßen Elektromagneten ist zwischen
dem Permanentmagneten und der Erregerspule ein Innenpol angeordnet,
der so geformt ist, dass wenigstens ein Teil der aus einer Polfläche
des Permanentmagneten in Richtung der Erregerspule austretenden
Feldlinien wenigstens kreissegmentförmig auf den Anker
gelenkt werden. Der Innenpol wirkt damit als sogenannter „Booster”,
da dadurch die Haltekraft des Permanentmagneten am Anker erhöht
wird und gleichzeitig nur eine geringe Auslöseenergie erforderlich
ist.
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Dies
liegt zum einen daran, dass im unbestromten Zustand der Erregerspule
die Feldlinien nicht einen großen Weg über das
Gehäuse im Bereich der Erregerspule und über die
gesamte Länge des Ankers nehmen müssen, sondern
nahezu unmittelbar am Ort des Permanentmagneten in den Anker eingeleitet
werden und dadurch im Vergleich zum Stand der Technik ein kleinerer
Permanentmagnet eingesetzt werden kann. Mit einem solchen kleineren Permanentmagneten
wird auch die Auslöseenergie geringer, die erforderlich
ist, um den Anker aus der Haltekraft des Permanentmagneten zu lösen.
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Zum
anderen liegt es daran, dass aufgrund der axialen Beabstandung des
Permanentmagneten zur Erregerspule und dessen radiale Anordnung
bezüglich des Ankers der Permanentmagnet bei kurzer Bestromung
der Erregerspule zusammen mit der Erregerspule, dem Anker und dem
Gehäuse einen Magnetkreis bildet und dadurch dessen Feldlinien
so umgelenkt werden, dass ein vom Gehäuse gebildeter Haltepol,
an dem der Anker durch die Haltekraft des Permanentmagneten gehalten
wird, nahezu feldfrei wird. Die mit zur Folge, dass nunmehr die
nur noch verbleibende geringe Haltekraft an diesem Haltepol von
der Gegenkraft der vorgespannten Druckfeder zur Ablösung
des Ankers überwunden werden muss.
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Diese
erfindungsgemäße Lösung führt
damit insgesamt zu einem kleineren Aufbau und damit auch zu einer
Kostenersparnis.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist zur Einleitung des Magnetflusses
des Permanentmagneten in den Innenpol dieser eine erste Fläche
und zur Ablenkung der Magnetflusses in den Anker eine zweite Fläche
auf, wobei die erste Fläche wenigstens teilweise einer
Polfläche des Permanentmagneten gegenüberliegt
und die zweite Fläche auf den Anker hin geneigt ausgebildet
ist. Dies führt zu einer optimalen Führung des
magnetischen Flusses des Permanentmagneten in den Anker hinein,
vorzugsweise dann, wenn die erste Fläche des Innenpols
an der Polfläche des Permanentmagneten anliegt und der Innenpol
aus weichmagnetischem Material gefertigt ist. Somit bildet der Permanentmagnet
mit dem Innenpol, dem Anker und dem Gehäuse, das auf der dem
Innenpol gegenüberliegenden Seite des Permanentmagneten
liegt, einen weiteren hocheffizienten Magnetkreis, wodurch auf den
Anker mit einem gegebenen Permanentmagneten eine maximal zu erzielende
Haltekraft wirkt.
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Idealerweise
umfasst bei einer Weiterbildung der Erfindung der Innenpol zwei
am Anker gegenüberliegende Polschuhe, die jeweils eine
erste und zweite Fläche umfassen, also eine erste Fläche,
die der Polfläche des Permanentmagneten gegenüberliegt
und eine zweite Fläche, die auf den Anker hin geneigt ausgebildet
ist. Vorzugsweise ist diese zweite Fläche als ebene Fläche
oder kegelstumpfmantelförmige bzw. kegelmantelförmige
ausgebildet. Dies bietet den Vorteil einer weiteren Konzentration
des magnetischen Flusses auf den aus den beiden Polschuhen bestehenden
Innenpol, um damit möglichst viele Feldlinien in den Anker
zu leiten.
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Dies
wird auch durch die weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
dadurch unterstützt, dass eine dem Anker gegenüberliegende
Fläche des Innenpols oder eines Polschuhs in Anpassung
an wenigstens einen Teil der zylindrischen Oberfläche des
Ankers hohlzylindersegmentartig ausgebildet ist. Dadurch bildet
sich ein gleichmäßiger Spalt im Bereich der gegenüberliegenden
Flächen aus, wodurch sich eine homogene Verteilung der
magnetischen Feldlinien ergibt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, bei einer Weiterbildung der Erfindung den Permanentmagneten
aus zwei am Anker gegenüberliegenden quaderförmigen Magnetteilen
zu bilden, wobei jedes Magnetteil dem Anker gegenüberliegende
hohlzylindersegmentartig ausgebildete Flächen und in einer
ersten lateralen Richtung bezüglich des Ankers eine im
Wesentlichen dem Durchmesser des Ankers entsprechende Ausdehnung
aufweist. Damit können die Polschuhe und die Magnetteile
in ihren Ausdehnungen weitestgehend identisch ausgebildet werden.
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Vorzugsweise
kann in der ersten lateralen Richtung die Ausdehnung der Polschuhe
mit der Ausdehnung der Magnetteile übereinstimmen, und jeder
Polschuh mit seiner ersten Fläche flächenbündig
an der Polfläche des Magnetteils anliegen, insbesondere
können die aneinander liegenden Flächen kongruent
ausgebildet werden. Damit ist eine weitere Effizienzerhöhung
hinsichtlich der von einem Permanentmagneten erzielbaren Haltekraft
möglich, so dass dadurch eine weitere Reduzierung der Größe des
Permanentmagneten möglich ist, um eine vorgegebene Haltekraft
sicherzustellen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist
das Gehäuse jeweils im Bereich eines Polschuhes und des
an dem Polschuh anliegenden Permanentmagneten eine Aussparung auf,
vorzugsweise jeweils im Bereich eines Paares von aneinander liegenden
Polschuh und Magnetteil. Damit wird zusätzlich der Streufluss
des Permanentmagneten über das Gehäuse minimiert,
da die Feldlinien in diesem Bereich des Permanentmagneten und des
Innenpols nicht mehr über das Gehäuse sich ausbilden,
sondern hauptsächlich im Anker verlaufen; infolge dessen
auch mit dieser Maßnahme die Haltekraft des Permanentmagneten
erhöht wird bzw. dadurch für eine vorgegebene
Haltekraft ein kleinerer Permanentmagnet eingesetzt werden kann.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse topfförmig
ausgebildet und wird am offenen Ende von einem Deckel verschlossen.
Daneben kann mit Vorteil auch jede andere Gehäuseform verwendet
werden, beispielsweise auch ein bügelförmiges
Gehäuse. Damit lässt sich in besonders bevorzugter
Weise der Permanentmagnet in dem Gehäuse so anordnen, dass
er über eine weitere Polfläche flächenbündig
an dem Deckel anliegt und somit im unbestromten Zustand der Erregerspule
mit geringstem Streufluss die Feldlinien in den Haltepol, an dem
eine Stirnseite des Ankers anliegt, eingeleitet werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der
Anker teilweise hohlzylindrisch zur Aufnahme einer Druckfeder ausgebildet, die
sich gegen den Deckel abstützt. Damit lassen sich für
einen solchen Elektromagneten unterschiedlichste Anwendungen realisieren,
so beispielsweist Hubmagnete mit mono- oder bistabilen Zustand.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
axialen Längsschnitt in perspektivische Darstellung eines
Elektromagneten gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung des Elektromagneten nach 1 ohne
Erregerspule,
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3 eine
perspektivische Ansicht des Innenpols und des Permanentmagneten
des Elektromagneten nach 2, und
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4 einen
axialen Längsschnitt in einer perspektivischen Darstellung
des Elektromagneten ohne Spulenköper und Gehäusedeckel
nach 1.
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Der
Elektromagnet 1 nach 1 ist ein
als Federspeicher verwendeter Hubmagnet mit einem einen Gehäuseboden 2a aufweisenden
topfförmigen weichmagnetischen Gehäuse 2,
das von einem Deckel 17 verschlossen wird, mit einer Erregerspule 3 und
mit einem Anker 4, der zentral in der Erregerspule 3 verschiebbar
gelagert ist. Der Anker 4 erstreckt sich einerseits mit
seinem freien Ende durch eine in dem Gehäuseboden 2a befindlichen Öffnung 16 und liegt
andererseits mit einer Stirnfläche 20 an dem einen
Haltepol bildenden Deckel 17 an, wodurch eine erste Position
für den Anker dargestellt wird.
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In
der Schnittansicht nach 1 und 4 ist der
zweiteilige Aufbau des Ankers 4 zu erkennen, wonach der
Anker 4 aus einem zylinderförmigen Ankerteil bzw.
Kern 4b besteht, der von einem hohlzylindrischen Ankerteil 4a flächenschlüssig
umschlossen wird. Das am Deckel 17 anliegende Ende des
zylinderförmigen Ankerteils 4b ist als dornförmiger
Fortsatz mit kleinerem Durchmesser als der Innendurchmesser des
Ankerteils 4a ausgebildet, so dass zusammen mit dem hohlzylindrischen
Ankerteil 4a ein hohlzylindrischer Hohlraum zur Aufnahme
einer Druckfeder 18 entsteht.
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Auf
der Außenumfangsfläche des Ankers 4 ist
beabstandet zum Gehäuseboden 2a eine Schulter 21 ausgebildet,
die in einen der Öffnung 16 entsprechenden Durchmesser
des Ankers 4 überführt, so dass mit dieser
Schulter 21 ein Anschlag für eine zweite Position
des Ankers definiert wird. Somit ist der Anker 4 zwischen
der ersten Position, wo dessen Stirnfläche 20 an
dem Deckel 17 anliegt, und der zweiten Position, wo die
Schulter 21 am Umfang der Öffnung 16 anliegt,
verschiebbar.
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In
der in 1 dargestellten ersten Position wird der Anker 4 bei
gespannter Druckfeder 18 von einem Permanentmagneten 5 gegen
die Federkraft gehalten.
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Die
Erregerspule 3 ist auf einem Spulenkörper 14 gewickelt,
an dessen eine Stirnseite eine Aufnahmekammer 15 zur Aufnahme
des Permanentmagneten 5 und eines weichmagnetischen Innenpols 6 einstückig
angeformt ist. Wie aus 1 zu erkennen ist, ist der Permanentmagnet 5 radial
bezüglich des Ankers 4 in der Aufnahmekammer 15 angeordnet und
liegt mit einer seiner Polflächen 8 (siehe 3) flächenbündig
an dem Deckel 17 an. Zwischen dem Permanentmagneten 5 und
der Erregerspule 3 liegt der ebenfalls radial angeordnete
Innenpol 6.
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Dieser
Aufbau des Elektromagneten 1 ist in der perspektivischen
Explosionsdarstellung nach 2 besonders
deutlich dargestellt, die allerdings den Spulenkörper 14 ohne
die Erregerspule 3 zeigt. Insbesondere ist in dieser 2 zusammen
mit 3 die Ausgestaltung des Permanentmagneten 5 und
des Innenpols 6 gut zu erkennen.
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Der
Permanentmagnet 5 besteht nach 3 aus zwei
Magnetteilen 5a und 5b, die jeweils eine quaderförmige
Grundgestalt aufweisen. Die Magnetteile 5a und 5b mit
jeweils einer Polfläche 8, die wie oben bereits
ausgeführt, am Deckel 17 anliegen, und einer parallel
gegenüberliegenden Polfläche 7, an die sich
der Innenpol 6 flächenbündig anschließt,
sind in einer lateralen Richtung bzgl. des Ankers 4, nämlich gemäß 2 oder 4 in
y-Richtung, an den Durchmesser d des Ankers angepasst. Nach 3 ist
in y-Richtung die Ausdehnung D eines Magnetteils 5a bzw. 5b nur
geringfügig größer als der Durchmesser
d des Ankers 4.
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Die
dem Anker 4 gegenüberliegenden Flächen 11 der
beiden Magnetteile 5a und 5b sind zur Anpassung
an die zylindrische Oberfläche des Ankers 4 kreissegmentartig
ausgebildet, so dass zwischen den gegenüberliegenden Flächen
ein konstanter Spalt entsteht, der zu einer homogenen Verteilung der
aus dem Permanentmagneten 5 in den Anker 4 eintretenden
Feldlinien führt.
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Der
Innenpol 6 besteht wie der Permanentmagnet 5 aus
zwei Teilen, nämlich aus zwei Polschuhen 6a und 6b und
sind nahezu identisch wie die beiden Magnetteile 5a und 5b ausgebildet.
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Jeder
Polschuh 6a und 6b weist eine quaderförmige
Grundform auf. Eine erste Fläche 9 liegt flächenbündig
an der Polfläche 7 eines Magnetteils 5a oder 5b an,
eine gegenüberliegende, in Richtung der Erregerspule 3 orientierte
zweite Fläche 10 ist als ebene Fläche
in Richtung des Ankers 4 hin geneigt ausgebildet.
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Die
dem Anker 4 gegenüberliegenden Flächen 12 der
Polschuhe 6a und 6b sind in gleicher Weise wie
die Magnetteile 5a und 5b zur Anpassung an die
zylindrische Oberfläche des Ankers 4 kreissegmentartig
unter Ausbildung eines konstanten Spaltes ausgebildet.
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In
lateraler Richtung bezüglich des Ankers 4 weisen
die beiden Polschuhe 6a und 6b, also in y-Richtung,
die gleiche Ausdehnung D wie die beiden Magnetteile 5a und 5b auf,
sind also nur geringfügig größer als
der Durchmesser d des Ankers 4.
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Aus
den 1 und 2 ist zu erkennen, dass die
Aufnahmekammer 15 so ausgebildet ist, dass dort sowohl
die Polschuhe 6a und 6b als auch die Magnetteile 5a und 5b flächenschlüssig
eingepasst werden können.
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Sowohl
die Polschuhe 6a und 6b als auch die Magnetteile 5a und 5b erstrecken
sich hauptsächlich lateral bzgl. des Ankers in die z-Richtung.
In dieser z-Richtung weist das Gehäuse 2 auf gegenüberliegenden
Seiten jeweils eine Aussparung 13 auf, die somit genau
im Bereich der Magnetteile 5a und 5b und der Polschuhe 6a und 6b liegen.
In 4, die den Elektromagneten 1 ohne den
Spulenkörper 13 mit Aufnahmekammer 14 zeigt,
ist dies besonders deutlich zu erkennen.
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Gemäß 1 wird
der Anker 4 gegen die Rückstellkraft der Druckfeder 18 in
der dort dargestellten ersten Position durch die Haltekraft des
Permanentmagneten 5 im unbestromten Zustand der Erregerspule 3 gehalten.
Hierzu bildet der Permanentmagnet 5 mit dem Innenpol 6 und
dem Deckel 17 einen Magnetkreis M1. Die Polschuhe 6a und 6b leiten die
Feldlinien, die über die Polflächen 7 der
Magnetteile 5a und 5b in die ersten Flächen 9 der
Polschuhe 6a und 6b eintreten, aufgrund deren
gegen den Anker 4 geneigten zweiten Flächen 10 in
den Anker 4 ein. Dieser Innenpol 6 wirkt damit
wie ein sogenannter „Booster” zur Verstärkung
des magnetischen Flusses im Anker, wodurch die Haltekraft an dem
von dem Deckel 17 gebildeten Haltepol erheblich erhöht wird.
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Diese „Booster”-Funktion
wird auch dadurch verstärkt, dass der Streufluss aufgrund
der Aussparungen 13 im Gehäuse 2 im Bereich
des Innenpols 6 und des Permanentmagneten minimiert wird
und somit diese Aussparungen 13 zur weiteren Erhöhung des
magnetischen Flusses im Bereich des von dem Deckel 17 gebildeten
Haltepols führen.
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Mit
einer kurzen Bestromung der Erregerspule 3 soll der Anker 4 aus
seiner ersten Position ausgelöst werden und sich bis in
die zweite Position bewegen, die durch den von der Schulter 21 am
Anker 4 gebildeten Anschlag definiert wird. Dadurch baut
sich gemäß 1 ein zweiter
Magnetkreis M2 auf, der aus dem Gehäuse 2 im Bereich
der Erregerspule 3, dem Permanentmagneten 5 und
dem Anker 4 besteht. Der magnetische Fluss des Permanentmagneten 5 wird
dadurch umgelenkt, da nun die Feldlinien über den Permanentmagneten 5 direkt
in den Anker 4 eintreten und nicht mehr den Weg über den
Deckel 17 nehmen, der damit nahezu feldfrei wird. Das bedeutet,
dass auch der von dem Deckel 17 gebildete Haltepol für
den Anker 4 nahezu feldfrei wird, also die Haltekraft unter
die Federkraft der Druckfeder 18 reduziert wird, mit der
Folge, dass sich der Anker 4 vom Haltepol löst
und von der Druckfeder 18 in die zweite Position gedrückt
wird.
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Da
die Auslösung des Ankers 4 im Wesentlichen lediglich
durch eine Umlenkung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten 5 bewirkt wird,
liegt die hierzu erforderliche Auslöseenergie im Vergleich
zu Systemen, bei denen der magnetische Fluss kompensiert werden
muss, auf einem deutlich geringeren Wert.
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Zusammenfassend
führt der erfindungsgemäße Aufbau zu
einer erheblichen Effizienzerhöhung, die sich in einer
höheren Haltekraft und einer niedrigen Auslöseenergie
gegenüber bekannten Systemen ausdrückt.
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Der
in den 1, 2 und 4 dargestellte
Elektromagnet 1 stellt einen Federspeicher dar, dessen
Druckfeder 18 in der zweiten Position, wenn also der Anker 4 mit
seiner Schulter 21 an dem Gehäuseboden 2a anliegt,
nur gering vorgespannt ist.
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Um
die Druckfeder zu spannen, kann beispielsweise die Erregerspule 3 so
dimensioniert werden, dass durch deren Bestromung der Anker 4 gegen
die Federkraft der Druckfeder 18 nach innen gezogen wird,
bis die Stirnfläche 20 des Ankers 4 an den
von dem Deckel 17 gebildeten Haltepol anschlägt.
Nach dem Abschalten des Stroms wird der Anker 4 in dieser
Position von dem Permanentmagneten 5 gehalten. In diesem
Fall stellt der Elektromagnet 1 ein bistabiler Hubmagnet
dar.
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Im
anderen Fall, wenn der Anker 4 durch eine von außen
erfolgende Betätigung in die zweite Position bewegt wird,
um die Druckfeder 18 zu spannen, dient die Erregerspule 3 nur
zur Auslösung des Ankers 4 aus dieser Position
und ist damit nur entsprechend dieser Funktion auszulegen. In diesem Fall
stellt der Elektromagnet 1 ein monostabiler Hubmagnet dar.
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Anstelle
des topfförmigen Gehäuses 2 kann auch
ein bügelförmiges Gehäuse eingesetzt
werden.
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- 1
- Elektromagnet
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Gehäuseboden
- 3
- Erregerspule
- 4
- Anker
- 5
- Permanentmagnet
- 5a
- Magnetteil
von 5
- 5b
- Magnetteil
von 5
- 6
- Innenpol
- 6a
- Polschuh
von 6
- 6b
- Polschuh
von 6
- 7
- Polfläche
von 5 oder 5a bzw. 5b
- 8
- Polfläche
von 5 oder 5a bzw. 5b
- 9
- erste
Fläche von 6 oder 6a bzw. 6b
- 10
- zweite
Fläche von 6 oder 6a bzw. 6b
- 11
- Fläche
von 5 oder 5a bzw. 5b
- 12
- Fläche
von 6 oder 6a bzw. 6b
- 13
- Aussparung
im Gehäuse 2
- 14
- Spulenkörper
- 15
- Aufnahmekammer
für 5 und 6
- 16
- Öffnung
im Gehäuseboden 2a
- 17
- Deckel
- 18
- Druckfeder
- 19
- Hohlraum
für Druckfeder 18
- 20
- Stirnseite
des Ankers 4
- 21
- Schulter
am Anker 4
- D
- Ausdehnung
in y-Richtung
- d
- Durchmesser
des Ankers 4
- M1
- Magnetkreis
- M2
- Magnetkreis
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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