-
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktor mit einem über eine Lagervorrichtung beweglich gelagerten Anker und mit einer Spule zur Bewegung des Ankers, sowie ein Verfahren zur Betätigung des elektromagnetischen Aktors.
-
Derartige Aktoren werden vielfältig zur Erzeugung von Stellbewegungen eingesetzt, beispielsweise in Ventilvorrichtungen von Fahrzeugen oder in Schließvorrichtungen von Fahrzeugfenstern oder -türen. Der Anker kann je nach Anwendungszweck entweder rotatorisch oder translatorisch durch die Spule bewegt werden. Hierzu wird die Spule mit einem Signal bestromt, wodurch diese ein magnetisches Feld erzeugt, welches wiederum den Anker antreibt, an dem die Stellbewegung abgreifbar ist. Die Lagervorrichtung ist entsprechend der gewünschten Bewegungsrichtung des Ankers ausgeführt und kann daher über Rotationslager bei einem rotatorisch durch die Spule bewegbaren Anker oder Translationslager bei einem translatorisch durch die Spule bewegbaren Anker verfügen.
-
Bei einer Bestromung der Spule kann sich reibungsbedingt ein ungleichmäßiger Bewegungsablauf des Ankers einstellen, der ungewünschte Geräusche oder Hystereseeffekte hervorrufen kann. Hierbei kommt es abwechselnd zu einem Haften des Ankers, in dem Haftreibung herrscht und einem Losreißen des Ankers, in dem Gleitreibung herrscht, was auch als Slip-Stick-Effekt bekannt ist. Insbesonders die hierdurch hervorgerufenen Hystereseeffekte tragen zu einer erschwerten Regelbarkeit des Aktors bei.
-
Zur Verhinderung von Klemmeffekten in einem aktorisch betätigten Ventil schlägt die
DE 36 33 312 C1 vor, in den Endlagen des Ventils einer Spule des Aktors ein pulsierendes Signal zuzuführen. In der
DE 22 46 574 wird zur Erzeugung einer geringen Hysterese in einem aktorisch betätigten Ventil vorgeschlagen, einem Gleichspannungs-Regelsignal einer Spule des Aktors ein Dither- oder Choppersignal zu überlagern. In beiden Fällen wird erreicht, dass ein Anker des Aktors ständig relativ zur Lagervorrichtung des Ankers bewegt wird, wodurch Gleitreibung vorherrschend ist und keine oder nur geringe Klemm- beziehungsweise Hystereseeffekte auftreten können.
-
In der Praxis zeigen sich jedoch weiterhin die Regelbarkeit des Aktors beeinträchtigende Hystereseeffekte, welche durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Ankerbewegung abgeschwächt werden können, indem die Frequenz des pulsierenden Signals, beziehungsweise des Dither- oder Chopper-Signals, erhöht wird. Dies ist jedoch nur innerhalb gewisser Grenzen möglich, da mit steigender Frequenz die Geschwindigkeit des Ankers auf Grund seiner Massenträgheit wieder abnimmt und hierdurch ab einer Grenzfrequenz die vorteilhafte ständige Ankerbewegung zum Erliegen kommt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es nun einen elektromagnetischen Aktor sowie ein Verfahren zur Betätigung eines elektromagnetischen Aktors zur Verfügung zu stellen, mittels welchem sehr geringe Hystereseeffekte erzielbar sind.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein magnetostriktives Element vorgesehen ist, über welches eine Relativbewegung zwischen dem Anker und zumindest einem Teil der Lagervorrichtung erzeugbar ist.
-
Ein magnetostriktives Element ändert seine äußere Form in Abhängigkeit eines das Element umgebenden Magnetfeldes Hierdurch wird erreicht, dass nicht mehr der gesamte Anker in einer ständigen Relativbewegung zu der Lagervorrichtung gehalten werden muss, um den Slip-Stick-Effekt zu verhindern, sondern es können mittels des magnetostriktiven Elements gezielt Relativbewegungen zwischen Teilen der Lageranordnung und dem Anker erzeugt werden. Das heißt es braucht nicht der gesamte Anker in einer ständigen Bewegung gehalten werden, sondern lediglich Teile der Lagervorrichtung oder des Ankers, wodurch vorteilhafterweise die Frequenz zur Erzeugung dieser Relativbewegung gegenüber dem Stand der Technik weiter erhöht werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass das magnetostriktive Element durch seine Verformung mechanische Schwingungen erzeugt, wenn die Feldstärke oder Feldausrichtung des das magnetostriktive Element umgebende Magnetfeldes entsprechend variiert wird. Diese mechanischen Schwingungen erzeugen große mechanische Kräfte und können direkt auf Teile der Lageranordnung oder des Ankers übertragen werden, wodurch die Massenträgheit dieser Teile auch bei sehr hohen Schwingungsfrequenzen leicht überwindbar ist. Der Effekt durch die Erfindung ist bei Verwendung eines hoch magnetostriktiven Elementes besonders ausgeprägt. Ein geeignetes hoch magnetostriktives Material für das Element ist beispielsweise eine Fe-Co-Legierung, insbesondere eine FE50CO50-Legierung. Das magnetostriktive Element kann auch aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen, die unterschiedliche magnetostriktive Eigenschaften aufweisen.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung befindet sich das magnetostriktive Element im Bereich eines durch die Spule erzeugten Magnetfeldes, wodurch die Spule sowohl zur Erzeugung der eigentlichen Stellbewegung des Ankers, als auch zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen dem Anker und dem zumindest einen Teil der Lagervorrichtung durch die Verformung des magnetostriktiven Elements verwendet werden kann. Somit kann der Aktor sehr kompakt und kostengünstig gestaltet werden, da keine weiteren Spulen zur Anregung des magnetostriktiven Elements notwendig sind. Hierbei ist dem Signal zur Bestromung der Spule bevorzugt ein Schwingungssignal, beispielsweise ein Dither- oder Choppersignal überlagert, welches das magnetostriktive Element zu mechanischen Schwingungen anregt. Selbstverständlich können auch mehrere Spulen in dem Aktor vorgesehen sein, wobei zumindest eine der Spulen im Bereich des Ankers angeordnet ist und zur Erzeugung der Stellbewegung des Ankers mit einem Ansteuersignal bestromt wird und zumindest eine andere der Spulen im Bereich des magnetostriktiven Elements angeordnet ist und zur Anregung des magnetostriktiven Elements mit dem Schwingungssignal bestromt wird.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein zumindest zweiteiliges Gehäuse vorgesehen, wobei in einem ersten Gehäuseteil ein erstes Lager der Lagervorrichtung angeordnet ist und in einem zweite Gehäuseteil ein zweites Lager der Lagervorrichtung angeordnet ist. Das magnetostriktive Element ist hierbei zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil angeordnet, wodurch eine magnetfeldinduzierte Änderung der Form des magnetostriktive Element eine Relativbewegung zwischen diesen Gehäuseteilen und den darin oder daran befindlichen Lager der Lagervorrichtung erzeugt, was gleichzeitig auch eine Relativbewegung zwischen zumindest einem der Lager und dem Anker bewirkt.
-
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Anker zumindest zweiteilig ausgeführt, wobei das magnetostriktive Element zwischen diesen zwei Ankerteilen angeordnet ist und es somit eine Relativbewegung zwischen den Ankerteilen erzeugen kann. Dabei ist das erste Ankerteil über ein erstes Lager der Lagervorrichtung gelagert und das zweite Ankerteil über ein zweites Lager der Lagervorrichtung gelagert, wodurch die Relativbewegung zwischen den Ankerteilen auch eine Relativbewegung zwischen zumindest einem der Lager und einem der Ankerteile bewirkt.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das magnetostriktive Element in oder an einem Lager der Lageranordnung angeordnet, wodurch die Relativbewegung zwischen Lageranordnung und Anker unmittelbar in beziehungsweise an dem Lager der Lagervorrichtung durch eine Bewegung desselben gegenüber dem Anker erzeugbar ist. Die oben beschriebene Zweiteilung eines Gehäuses des Aktors oder des Ankers ist somit nicht erforderlich.
-
Um eine einfache Relativbewegung zwischen dem Anker und der Lagervorrichtung in den Ausgestaltungen der Erfindung zu ermöglichen, verfügt die Lagervorrichtung zur Führung des Ankers bevorzugt über Gleitlager. Grundsätzlich ist die Verwendung von Wälzlagern zur Führung des Ankers jedoch auch möglich, wobei das betroffene Lager jedoch die gewünschte Relativbewegung zwischen Lager und Anker gestatten muss, beispielsweise durch ein Lagerspiel in Längsrichtung des Ankers oder durch Verwendung von Zylinderrollen- oder Nadellager.
-
Zur Bewegung des Ankers kann dieser auch über zumindest einen Permanentmagneten verfügen, der bei einer Bestromung der Spule in bekannter Weise die Stellbewegung des Aktors ermöglicht oder es kann stattdessen mindestens eine an dem Anker fest angeordnete zweite Spule vorgesehen sein, die zur Erzeugung der Stellbewegung des Ankers zusammen mit der Spule bestromt wird. Zur Erzeugung einer rotatorischen Stellbewegung kann der Anker auch im Sinne eines Rotors mit weiteren Spulen, Permanentmagneten oder einem Käfig ausgeführt sein, die gemeinsam mit weiteren im Sinne eines Ständers gegenüber dem Anker ortsfest angeordneten Spulen eine Rotationsbewegung des Ankers bewirken.
-
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Aktor in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wo auf geringem Bauraum eine möglichst genaue Stellbewegung ausgeführt werden muss. Beispielsweise eignet sich ein solcher Aktor zur Verwendung in einem Pneumatik- oder Hydraulikventil eines Nutz- oder Personenfahrzeugs, wo einerseits sehr wenig Platz zur Verfügung steht, andererseits hohe Anforderungen an die Stellgenauigkeit eines solchen Aktors gestellt werden.
-
Die an die Erfindung gestellte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Betätigung des erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors gelöst. Hierbei wird eine Spule des elektromagnetischen Aktors mit einem Signal bestromt, wodurch sich in Abhängigkeit dieses Signals ein Magnetfeld einstellt. Dabei wird ein magnetostriktives Element des elektromagnetischen Aktors auf Grund dieses Magnetfeldes verformt, und diese Verformung bewirkt eine Relativbewegung eines über eine Lagervorrichtung beweglich gelagerten Ankers des Aktors gegenüber zumindest einem Teil dieser Lagervorrichtung.
-
Das Signal besteht bevorzugt aus einem Ansteuerungssignal zur Erzeugung einer Stellbewegung des Ankers und einem dem Ansteuerungssignal überlagerten Schwingungssignal zur Verformung des magnetostriktiven Elementes, wobei das Schwingungssignal insbesondere ein Chopper- oder Dithersignal sein kann. Hierdurch wird mit der Spule ein schwingendes Magnetfeld erzeugt das einerseits den Anker zur Verrichtung von Stellaufgaben bewegt, andererseits auch eine schwingende Verformung des magnetostriktiven Elements und damit eine vorteilhafte ständige Relativbewegung des Ankers gegenüber der Lagervorrichtung bewirkt.
-
Bevorzugt ist die Frequenz des Schwingungssignals so hoch, dass auf Grund des Schwingungssignals der Anker trägheitsbedingt und ohne eine Anregung des magnetostriktiven Elements nicht bewegbar ist. Dies bedeutet die Frequenz des Schwingungssignals ist bevorzugt so hoch, dass der Anker eines Aktors, welcher nicht über das magnetostriktive Element verfügt, alleine durch das Schwingungssignal nicht bewegbar wäre, sondern durch seine Massenträgheit stillstehen würde. Durch derart hohe Frequenzen ergeben sich besonders geringe Hystereseeffekte, die ohne das magnetostriktive Element nicht erreichbar sind. Das erfindungsgemäß eingesetzte magnetostriktive Element beseitigt damit die Grenzen, die im Stand der Technik durch die Massenträgheit des Ankers vorgegeben sind.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen näher erläutert aus welchen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen entnommen werden können. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung,
-
1 eine Aktor mit einem zweigeteilten Gehäuse und einem zwischen den Gehäuseteilen angeordneten magnetostriktiven Element;
-
2 einen Aktor mit einem zweiteiligen Anker und einem zwischen den Ankerteilen angeordneten magnetostriktiven Element;
-
3 einen Ausschnitt eines Aktors mit einem magnetostriktiven Element, wobei das magnetostriktive Element zwischen einem Gehäuse und einem Lager des Aktors angeordnet ist;
-
4 einen Ausschnitt eines Aktors mit einem magnetostriktiven Element, wobei das magnetostriktive Element zwischen einem inneren Lagerring und einem äußeren Lagerring eines Lagers des Aktors angeordnet ist.
-
Der in 1 dargestellte Aktor 1 verfügt über ein Gehäuse 2 in dessen Inneren ein Anker 3, eine Lagervorrichtung 6A, 6B, zumindest eine Spule 4 und eine elastische Feder 5 angeordnet sind. Die Lagervorrichtung besteht hierbei aus zwei als Gleitlager ausgeführten Lagern 6A, 6B, welche eine aus dem Gehäuse 2 ragende Ankerstange 3A des Ankers 3 beweglich führen. Die Ankerstange 3A dient zur Betätigung einer Vorrichtung 7, beispielsweise eines pneumatischen oder hydraulischen Druckregelventil eines Fahrzeuggetriebes.
-
Das Gehäuse 2 ist zweigeteilt, wobei das erste Gehäuseteil 2A fest das erste Lager 6A der Lagervorrichtung aufnimmt und das zweite Gehäuseteil 2B fest das zweite Lager 6A. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 2A, 2B ist ein die beiden Gehäuseteile 2A, 2B verbindendes magnetostriktives Element 8 angeordnet.
-
Bei Bestromung der Spule 4 mit einem Signal kann der Anker 3 je nach Ausführung der Spule 4 und des Ankers 3 entweder rotatorisch oder translatorisch bewegt werden, wodurch an den aus dem Gehäuse 2 ragenden Enden der Ankerstange 3A dementsprechend eine translatorische oder translatorische Stellbewegung. abgreifbar ist. Die Feder 5 dient dazu, den Anker 3 nach Beendigung der Bestromung der Spule 4 wieder zurück in seine Ausgangslage zu bewegen, sie kann daher insbesondere als Spiralfeder bei einem rotatorisch bewegbaren Anker 3 oder als Schraubenfeder bei einem translatorisch bewegbaren Anker 3 ausgeführt sein. Durch die Bestromung der Spule 4 mit dem Signal bildet sich in Abhängigkeit des Signals um die Spule 4 herum ein durch strichlierte Linien angedeutetes Magnetfeld 9 aus, in dessen Bereich das magnetostriktive Element 8 und der Anker 4 angeordnet sind. Das Magnetfeld 9 bewirkt nun sowohl die Ausübung der Stellbewegung des Ankers 4, als auch eine Formänderung des magnetostriktiven Elements 8. Die Richtung und Stärke dieser Formänderung hängt insbesondere von der Feldstärke und der Ausrichtung des Magnetfeldes 9, beziehungsweise der das Magnetfeld 9 erzeugenden Spule 4, sowie von dem Material des magnetostriktiven Elements 8 ab. Das Magnetfeld 9 ist hier so ausgerichtet und das Material des magnetostriktiven Elements 8 so gewählt, dass sich das magnetostriktive Element 8 unter Einwirkung des Magnetfeldes 9 in Längsrichtung 10 des Ankers 3 ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch das magnetostriktive Element 8 unmittelbar den Abstand zwischen den Gehäuseteilen 2A, 2B und den Lagern 6A, 6B verändert und es hierbei zu einer Relativbewegung zwischen zumindest einem der Lager 6A, 6B und dem Anker 3 in Ankerlängsrichtung 10 kommt.
-
Das Signal zur Ansteuerung der Spule 4 besteht hierbei aus einem Ansteuerungssignal zur Erzeugung der Stellbewegung des Ankers 3 und einem überlagerten Schwingungssignal zur Erzeugung der Relativbewegung zwischen Lager 6A, 6B und Anker 3 mittels der Verformung des magnetostriktiven Elements 8. Die durch das Schwingungssignal angeregte Verformung des magnetostriktiven Elementes 8 schwingt in der gleichen oder ähnlichen Frequenz wie das Schwingungssignal, somit kann eine sehr schnelle Relativbewegung zwischen Lager 6A, 6B und Anker 3 bewirkt und hierdurch Hystereseeffekte stark reduziert werden.
-
Der in 2 dargestellte Aktor 1 verfügt im Wesentlichen über die gleichen Bauteile wie der in 1 dargestellte Aktor 1. Gleiche Bauteile mit gleichen Funktionen verfügen in den 1 und 2 daher über gleiche Bezugszeichen. Gegenüber dem Aktor 1 aus 1 ist das Gehäuse 2 des Aktors 1 aus 2 jedoch einteilig und der Anker 3 mehrteilig ausgeführt.
-
Der Anker 3 besteht in der Ausgestaltung der Erfindung nach 2 aus einer zweigeteilten Ankerstange 3B, 3C und einer die Ankerstange 3B, 3C stützenden hohlen Welle 3D, deren Inneres neben dem magnetostriktiven Element 8 auch die an dem magnetostriktiven Element 8 anliegenden Enden der Ankerstangenteile 3B, 3C aufnimmt. Das erste Ankerstangenteil 3B ist über das erste Lager 6A in dem Gehäuse 2 gelagert und das zweite Ankerstangenteil 3C ist über das zweite Lager 6B in dem Gehäuse gelagert. Dabei ist zumindest eines der Ankerstangeteile 3B, 3C gegenüber der Welle 3D in Längsrichtung 10 des Ankers 3 verschieblich. Bei einer Bestromung der Spule 4 kann daher über eine Verformung des magnetostriktiven Elements 8 auf Grund des sich dabei einstellenden Magnetfeldes 9 dieses Ankerstangenteil 3B, 3C gegenüber dem anderen der Ankerstangenteile 3B, 3C in Ankerlängsrichtung 10 bewegt werden, wobei die vorteilhafte Relativbewegung zwischen dem Anker 3, beziehungsweise dem Ankerstangenteil 3B, 3C, und einem der Lager 6A, 6B der Lagervorrichtung erfolgt. Die den Ankerstangenteilen 3B, 3C zugewandten Enden des magnetostriktiven Elements 8 sind hierbei mit den jeweiligen Enden der Ankerstangenteilen 3B, 3C fest verbunden, beispielsweise verklebt.
-
Alternativ oder zusätzlich zur Anordnung des magnetostriktiven Elements 8 zwischen zwei Gehäuseteilen 2A, 2B oder zwei Ankerteilen 3B, 3C kann ein magnetostriktives Element 8 auch so direkt in oder an einem der Lager 6A, 6B der Lagervorrichtung angeordnet werden, dass eine Verformung des Elements 8 unmittelbar zu einer Verschiebung des Lagers 6A, 6B oder Teilen hiervon gegenüber dem Anker 3 führt. Beispielsweise kann wie in 3 dargestellt eines oder mehrere Lager 6A, 6B der Lagervorrichtung in Ankerlängsrichtung 10 verschieblich je zwischen einer elastischen Feder 11 und einem magnetostriktiven Element 8 in dem Gehäuse 2 angeordnet sein, wodurch eine Verformung des magnetostriktiven Elements 8 eine Relativbewegung dieses Lager 6A, 6B gegenüber dem Anker 3 in Ankerlängsrichtung 10 bewirkt. Das Lager 6A, 6B bildet in 3 ein Gleitlager, in welchem der Anker 3 translatorisch oder rotatorisch beweglich ist.
-
Ebenso kann wie in 4 dargestellt eines oder mehrere Lager 6A, 6B der Lagervorrichtung aus einem beweglich auf dem Anker 3 angeordneten inneren Lagerring 12 und einem fest mit dem Gehäuse 2 verbundenen äußeren Lagerring 13 bestehen, wobei das magnetostriktive Element 8 so zwischen dem inneren und äußeren Lagerring 12, 13 angeordnet ist, dass eine Verformung des magnetostriktiven Elements 8 eine vorteilhafte Relativbewegung zwischen dem inneren Lagerring und dem Anker 3 in Ankerlängsrichtung 10 bewirkt. Hierzu sind die Stirnseiten des magnetostriktive Elements 8 mit dem äußeren bzw. inneren Lagerring 12, 13 fest verbunden, beispielsweise geklebt. In 4 ist der Anker 3 translatorisch oder rotatorisch gleitend in dem inneren Lagerring 12 beweglich.
-
Die Lageranordnung kann entgegen 1 und 2 auch räumlich getrennt oder entfernt von der Spule 4 angeordnet sein, so kann sie sich insbesondere bei Verwendung des erfindungsgemäßen Aktors 1 zur Betätigung einer hydraulischen oder pneumatischen Ventileinrichtung räumlich innerhalb der Ventileinrichtung befinden.
-
Das Gehäuse 2 des Aktors 1 nach 1, 2, 3 oder 4 kann zur Gewichtseinsparung und zur Kühlung der Spule 4 alternativ auch in Form eines Rahmens ausgeführt sein, der die Lager 6A, 6B, den Anker 3, die Spule 4 und die Feder 5 in definierter Weise zueinander hält. Das Gehäuse 2 kann auch über Öffnungen verfügen, die das Eindringen eines Kühlfluids ermöglichen oder es kann ebenso gut hermetisch durch Dichtungen gegen das Eindringen eines umgebenden Fluids abgeschlossen sein. Zur einfacheren Montage des Aktors 1 kann das Gehäuse 2, der Anker 3 oder das magnetostriktive Element 8 auch aus mehreren Teilen bestehen, die im Rahmen der Montage fest miteinander verbunden werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Aktor
- 2
- Gehäuse
- 2A
- Gehäuseteil
- 2B
- Gehäuseteil
- 3
- Anker
- 3A
- Ankerstange
- 3B
- Ankerstangenteil
- 3C
- Ankerstangenteil
- 3D
- Welle
- 4
- Spule
- 5
- Feder
- 6A
- Lager
- 6B
- Lager
- 7
- Vorrichtung
- 8
- magnetostriktives Element
- 9
- Magnetfeld
- 10
- Ankerlängsrichtung
- 11
- Feder
- 12
- innerer Lagerring
- 13
- äußerer Lagerring
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 3633312 C1 [0004]
- DE 2246574 [0004]
