DE102009031665B4

DE102009031665B4 - Elektrodynamischer Aktor

Info

Publication number: DE102009031665B4
Application number: DE102009031665.5A
Authority: DE
Inventors: Arno Mecklenburg; Dr. Schneider Rainer Peter; Jan-Magnus Guldbakke; Dr. Michaelsen Rainer
Original assignee: MSM KRYSTALL GbR (VERTRETUNGSBERECHTIGTE GESELLSCHAFTER DR RAINER SCHNEIDER 12165 BERLIN ARNO MECKLENBURG 10999 BERLIN); MSM KRYSTALL GbR VERTRETUNGSBERECHTIGTE GESELLSCHAFTER DR RAINER SCHNEIDER
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2009-07-05
Filing date: 2009-07-05
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2029-07-06
Also published as: WO2011003547A1; DE102009031665A1

Abstract

Elektrodynamischer Aktor gekennzeichnet dadurch, dass auf einem Magnetkreis mindestens eine Induktionsspule und eine bewegliche Kurschlusswindung sich befinden, wobei die auf die bewegliche Kurzschlusswindung wirkende Kraft zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird und der Magnetkreis derart ausgestaltet ist, dass während des Betriebes das Metall der Kurzschlusswindung ganz oder teilweise von einem möglichst dichten radialen magnetischen Fluss durchsetzt wird, wobei der elektrodynamische Aktor mit einem Hubmagneten derart kombiniert wird, dass eine Haltekraft erzeugt werden kann.

Description

Stand der Technik:
Schwingspulen und Hubmagnete sind Stand der Technik und allgemein bekannt, gleiches gilt für den Aufbau des Thomsonschen Ringversuchs („Thomson-Spule”), welcher im Schulunterricht gebraucht wird, um die Lenz'sche Regel zu veranschaulichen.
Schwingspulen sind schnelle Aktoren und können in Frequenzbereichen bis zu mehreren 10 kHz eingesetzt werden. Es sind aber inhärent fragile und aufwendige Konstruktionen, da die Kraft an der Spule entsteht. Die Verwendung eines robusten Spulenkörpers mindert die Vorzüge der Schwingspule, da einerseits passive Masse beschleunigt werden muss, und andererseits der „Kupferfüllgrad” des Luftspaltes sinkt. Zum Erreichen eines besonders hohen Kupferfüllgrades ist außerdem kostenintensiver Draht mit rechteckigem Querschnitt erforderlich.
Hubmagnete sind naturgemäß mechanisch stabiler als Schwingspulen aber mechanisch und elektrisch vergleichsweise träge, also langsam. Aus den Druckschriften DE 28 56 558 A1 , US 3 955 164 A , US 2 452 678 A und US 2 446 353 A sind jeweils Hubmagnete bekannt, bei welchen der bewegliche Teil des Magnetkreises eine kreisförmige Öffnung aufweist, in welche ein statischer Teil des Magnetkreises eintauchen kann. Thomson-Spulen sind als Aktoren nicht gebräuchlich, da sie wegen ihres großen Streufeldes und anderen (Eisen-)Verlusten nur einen geringen Wirkungsgrad und schlechtes EMV-Verhalten besitzen. Das schnelle Schalten der notwendigen großen Ströme ist technisch aufwendig, gleiches gilt für die Bereitstellung der zugehörigen großen elektrischen Leistungen.
Aus der US 1 711 285 A ist ein Aktor mit einem Magnetkreis, auf welchem sich mindestens eine Induktionsspule und eine bewegliche Kurschlusswindung befinden, bekannt, wobei die auf die bewegliche Kurzschlusswindung wirkende Kraft zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird. Dabei ist der Magnetkreis derart ausgestaltet, dass während des Betriebes das Metall der Kurzschlusswindung ganz oder teilweise von einem möglichst dichten radialen magnetischen Fluss durchsetzt wird. Weitere Aktoren mit einem Magnetkreis, auf welchem sich mindestens eine Induktionsspule und eine bewegliche Kurschlusswindung befinden, wobei die auf die bewegliche Kurzschlusswindung wirkende Kraft zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird, sind aus den Druckschriften US 3 585 458 A und US 2 432 244 A bekannt.
Erfinderische Aufgabe:
Die erfinderische Aufgabe besteht darin, einen elektrodynamischen Aktor zu finden, welcher mechanisch ähnlich robust ist wie ein Hubmagnet, gleichermaßen reaktionsschnell wie eine Schwingspule oder schneller, wie eine Thomson-Spule eine kleine Selbstinduktion aufweist aber im Gegensatz zu dieser nur ein geringes magnetisches Streufeld erzeugt, und der, auf sein Volumen bezogen, eine möglichst hohe Kraft entfalten kann.
Beschreibung der Erfindung:
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen elektrodynamischen Aktor gemäß Anspruch 1 gelöst.
Dabei ist vorgesehen, dass die Thomson-Spule mit einem Magnetkreis anstelle eines einfachen weichmagnetischen Stabes ausgeführt wird und dass zusätzlich Metall der Kurzschlusswindung vermittels einer Ausgestaltung des Magnetkreises oder einer zusätzlichen Vorrichtung mit einem möglichst dichten radialen magnetischen Fluss durchsetzt wird. Die Erfindung ähnelt also einer Schwingspule. In Abgrenzung zu bekannten Schwingspulen ist die fragile bewegliche Spule ersetzt durch eine einzige Kurzschlusswindung, welche induktiv bestromt wird. Die Kurzschlusswindung ist mechanisch weitaus widerstandsfähiger als eine Schwingspule, erfordert einen viel geringeren Fertigungsaufwand, und ermöglicht eine optimale Füllung des Luftspalts. Die Kurzschlusswindung bewirkt außerdem eine geringe Selbstinduktion des elektrodynamischen Aktors.
Durch den im Vergleich zur Thomson-Spule besseren Wirkungsgrad, welcher einerseits erreicht wird durch eine höhere radiale magnetische Flussdichte und andererseits durch eine festere magnetische Kopplung zwischen Induktionsspule und Kurzschlusswindung, müssen, um gleich große mechanische Arbeiten verrichten zu können, weniger hohe Ströme geschaltet werden als bei dieser. Der Wirkungsgrad kann durch die Verwendung moderner bzw. spezieller Magnetwerkstoffe weiter gesteigert werden, womit der Strombedarf, und damit der Beschaltungs- und der Leistungsversorgungsaufwand, zusätzlich sinkt.
Die Erfindung ist besonders geeignet für die Betätigung von Hochspannungsschaltern und die Kraftstoffeinspritzung in Dieselmotoren.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden im folgenden in Form von Aspekten dargestellt:

1. Elektrodynamischer Aktor gekennzeichnet dadurch, dass auf einem Magnetkreis mindestens eine Induktionsspule und eine bewegliche Kurschlusswindung sich befinden, wobei die auf die bewegliche Kurzschlusswindung wirkende Kraft zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird.
2. Vorrichtung nach Aspekt 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Magnetkreis derart ausgestaltet ist, dass während des Betriebes das Metall der Kurschlusswindung ganz oder teilweise von einem möglichst dichten radialen magnetischen Fluss durchsetzt wird.
3. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die Erzeugung des radialen Flusses durch mindestens eine zusätzliche Spule realisiert wird, welche eine kleinere Durchflutung erzeugt als die Induktionsspule(n), deren Durchflutung(en) sie entgegenwirkten, und dass der radiale Fluss mittels Polschuhen auf den Hubbereich der beweglichen Kurzschlusswindung konzentriert wird.
4. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 3 gekennzeichnet dadurch, dass anstelle einer oder mehrerer zusätzlicher Spulen der radiale Fluss erzeugt wird, indem der Magnetkreis derart ausgelegt wird, dass er während des Betriebs partiell sättigt, was durch eine lokale Verringerung des Querschnitts oder die Verwendung eines magnetischen Werkstoffs im Magnetkreis erreicht werden kann, dessen Sättigungspolarisation geringer ist als die des Werkstoffes, aus dem der übrige Magnetkreis besteht.
5. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 3 gekennzeichnet dadurch, dass anstelle einer oder mehrerer zusätzlicher Spulen Permanentmagnete, vorzugsweise Seltenerdenmagnete, zur Erzeugung des radialen Flusses verwendet werden (wodurch in einfacher Weise eine elektrische Rückstellung ermöglicht wird).
6. Vorrichtung nach Aspekt 1 gekennzeichnet dadurch, dass als weichmagnetischer Werkstoff für den Magnetkreis ein eisenbasiertes metallisches Glas oder eine eisenbasierte nanokristalline Legierung verwendet wird.
7. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass als weichmagnetischer Werkstoff für den Magnetkreis eine Eisen-Kobalt-Legierung verwendet wird.
8. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 7 gekennzeichnet dadurch, dass die Eisen-Kobalt-Legierung bis zu 5% anderer Elemente, insbesondere V oder Si, enthält und einen möglichst hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist.
9. Vorrichtungen nach Aspekt 1 und 2 und 3 oder 4 oder 5 gekennzeichnet dadurch, dass Polschuhe und Magnetkreis aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und dass die relative Permeabilität des Polschuhwerkstoffes geringer ist als die des Magnetkreiswerkstoffs und dass seine Sättigungspolarisation höher ist als die des Magnetkreiswerkstoffs.
10. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 9 gekennzeichnet dadurch, dass Magnetkreis- und Polschuhwerkstoff laminiert sind und dass deren Laminierungsebenen senkrecht auf einander stehen.
11. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 9 gekennzeichnet dadurch, dass für die Polschuhe ein magnetisch halbharter Werkstoff verwendet wird.
12. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass der elektrodynamische Aktor mit einem Hubmagneten derart kombiniert wird, dass eine Haltekraft erzeugt werden kann.
13. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 12 gekennzeichnet dadurch, dass die bewegliche Kurzschlusswindung starr mit einem beweglich gelagerten Teil des Magnetkreises verbunden ist und dass der Magnetkreis im Ausgangszustand eine Verjüngung des Querschnitts besitzt, welche durch Bewegung des beweglich gelagerten Teils des Magnetkreises in derjenigen Richtung, in welcher die Lorenzkraft auf die Kurzschlusswindung wirkt, verringert oder vernichtet wird. Es wird die erzeugte Kraft über das beweglich gelagerte Teil des Magnetkreises auf die vom Aktor zu betätigende Mechanik ausgeübt
14. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass der elektrodynamische Aktor mit einer Rückstellfeder ausgerüstet ist.
15. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 14 gekennzeichnet dadurch, dass die Rückstellfeder im elektrodynamische Aktor zwischen Kurzschlusswindung und Magnetkreis wirkt (was eine besonders kompakte Bauweise ermöglicht).
16. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 14 gekennzeichnet dadurch, dass die Rückstellfeder zwischen dem elektrodynamischen Aktor und der zu betätigenden Mechanik wirkt.
17. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 14 und 16 gekennzeichnet dadurch, dass die Feder eine nichtlineare Kennlinie besitzt und den vom elektrodynamischen Aktor erzeugten Kraftstoß derart moduliert, dass er mit den Anforderungen der zu betätigenden Mechanik abgestimmt ist.
18. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 14 und 16 gekennzeichnet dadurch, dass als nichtlineare Feder ein Teller- oder Blattfederpaket verwendet wird.
19. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die zum Betrieb des elektrodynamischen Aktors erforderliche elektrische Energie in einem Kondensator gespeichert wird.
20. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die zum Betrieb des elektrodynamischen Aktors erforderliche elektrische Energie induktiv gespeichert wird.
21. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass die zum Betrieb des elektrodynamischen Aktors erforderliche elektrische Energie in den Kapazitäten einer Laufzeitkette gespeichert wird, deren Impedanz auf die des elektrodynamischen Aktors abgestimmt ist und die direkt oder mit einer Speicherinduktivität geladen wird.
22. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 19 gekennzeichnet dadurch, dass der Kondensator mittels eines Pulsweitenmodulators, der vorteilhaft mit MOSFETs realisiert wird, über den elektrodynamischen Aktor entladen wird, so dass während eines einzigen mechanischen Stellvorganges viele elektrische Schaltvorgänge sich ereignen.
23. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 19 und 22 gekennzeichnet dadurch, dass die Pulsweitenmodulation mit den Anforderungen der zu betätigenden Mechanik abgestimmt ist.
24. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 19 gekennzeichnet dadurch, dass zwischen Kondensator und Aktor eine magnetische Pulskompression geschaltet ist (Laufzeitkette mit sättigbaren Reaktoren, welche lastseitig äußerst steilflankige Stromimpulse bereitstellt und speicherseitig den/die Schalter schont), deren Impedanz auf die des elektrodynamischen Aktors abgestimmt ist.
25. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 20 gekennzeichnet dadurch, dass die Impedanz des induktiven Speichers abgestimmt ist auf die Impedanz des Aktors.
26. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 und 20 gekennzeichnet dadurch, dass zwischen induktivem Speicher und Aktor ein Impedanzwandler geschaltet ist
27. Vorrichtung nach Aspekt 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass anstelle einer einzigen Induktionsspule eine geradzahlige Anzahl von Induktionsspulen verwendet wird, wobei alle Spulen (auch zusätzliche Spulen nach Aspekt 3) derart angeordnet sind, dass, sobald der Kern sättigt, ein Multipol-Streufeld möglichst kurzer Reichweite entsteht.
28. Vorrichtung nach Aspekt 1 gekennzeichnet dadurch, dass der elektrodynamische Aktor mit Mumetall oder einem vergleichbaren weichmagnetischen Werkstoff eingehaust wird.
29. Vorrichtung nach Aspekt 1 gekennzeichnet dadurch, dass für die Kurzschlusswindung laminierte möglichst gute elektrische Leiter verwendet werden.
30. Vorrichtung nach Aspekt 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Kraft vermittels einer axial angeordneten Stange von der Kurzschlusswindung auf die zu betätigende Mechanik übertragen wird, wobei die Kurzschlusswindung zweckmäßig durch ein Bauteil mechanisch verstärkt werden kann, welches aus härterem Material besteht als die Kurschlusswindung.

Claims

Elektrodynamischer Aktor gekennzeichnet dadurch, dass auf einem Magnetkreis mindestens eine Induktionsspule und eine bewegliche Kurschlusswindung sich befinden, wobei die auf die bewegliche Kurzschlusswindung wirkende Kraft zur Verrichtung mechanischer Arbeit ausgenutzt wird und der Magnetkreis derart ausgestaltet ist, dass während des Betriebes das Metall der Kurzschlusswindung ganz oder teilweise von einem möglichst dichten radialen magnetischen Fluss durchsetzt wird, wobei der elektrodynamische Aktor mit einem Hubmagneten derart kombiniert wird, dass eine Haltekraft erzeugt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass die bewegliche Kurzschlusswindung starr mit einem beweglich gelagerten Teil des Magnetkreises verbunden ist und dass der Magnetkreis im Ausgangszustand eine Verjüngung des Querschnitts besitzt, welche durch Bewegung des beweglich gelagerten Teils des Magnetkreises in derjenigen Richtung, in welcher die Lorenzkraft auf die Kurzschlusswindung wirkt, verringert oder vernichtet wird, wobei die erzeugte Kraft über das beweglich gelagerte Teil des Magnetkreises auf die vom Aktor zu betätigende Mechanik ausgeübt wird.