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Die Erfindung betrifft einen bistabilen Hubmagneten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines bistabilen Hubmagneten.
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DE 43 34 031 C2 zeigt einen bistabilen Hubmagneten, umfassend ein Gehäuse, in dem ein zylindrischer Permanentmagnet neben einer Zylinderspule angeordnet ist. Der Permanentmagnet und die Zylinderspule sind durch magnetisch leitende Halterungen voneinander getrennt. Der Permanentmagnet und die Zylinderspule sowie ihre Halterungen bilden in ihrem Inneren einen zylindrischen Hohlraum, den ein beweglicher Aktor mit einer etwa mittig angeordneten radialen Ausnehmung durchsetzt. Der Aktor ragt dabei in einer vorderen Endlage an einem dem Permanentmagneten näheren Ende des Gehäuses aus dem Hohlraum heraus, während an dem anderen, der Zylinderspule näheren Ende ein Eisenkern den Hohlraum verschließt, wobei ein Luftspalt zwischen dem Anker und den magnetisch leitenden Halterungen auf beiden Seiten der radialen Ausnehmung gering ist. Zwischen dem Eisenkern und dem Aktor ist eine Druckfeder gespannt, die den Aktor in eine Richtung weg von dem Eisenkern vorspannt. Der Permanentmagnet und die elektrische Zylinderspule sind durch Führungselemente in ihrem Inneren von dem Aktor räumlich separiert, wobei die Führungselemente sowie der Eisenkern und der Aktor magnetisch leitend ausgestaltet sind. In einem unbestromten Zustand der Zylinderspule wird der Aktor durch die Vorspannung der Druckfederin eine Richtung weg von dem Kern beaufschlagt und ist in der vorderen Endlage haltbar. Wird die elektrische Zylinderspule bestromt, so wird der Aktor entgegen der Vorspannung der Druckfeder in eine hintere Endlage überführt. Dabei verschiebt sich die radiale Ausnehmung des Aktors, wobei der Luftspalt zwischem dem Aktor und der Halterung vergrößert wird und so eine Umleitung eines Magnetflusses der Permanentmagneten erzielt wird. Der umgeleitete Magnetfluss wirkt mit dem Magnetfeld der elektrischen Zylinderspule zusammen und erlaubt eine Bewegung des Aktors entgegen der Kraft der Druckfeder zwischen dem Aktor und dem Eisenkern, in eine hintere Endlage. Nachteilig ist, dass der Aktor nur in seiner hinteren Endlage durch den Permanentmagneten gehalten werden kann, nicht aber in seiner vorderen Endlage, da der Permanentmagnet in der vorderen Endlage keine nennenswerte, in axialer Richtung wirkende Kraft auf den Aktor ausübt.
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DE 1 253 821 B zeigt einen Hubmagneten, umfassend ein Gehäuse, zwei jeweils in einem Randbereich des Gehäuses angeordnete bestrombare Zylinderspulen, und zwei in einem mittleren Bereich des Gehäuses angeordnete zylindrische Permanentmagneten, deren magnetische Polung zueinander gegensinnig ist. Zwischen den beiden Permanentmagneten sowie jeweils zwischen einem Permanentmagneten und einer Spule ist jeweils ein zylindrischer Weicheisenring angeordnet, wobei der Innendurchmesser der Weicheisenringe geringer ist als der Innendurchmesser der Permanentmagneten und der Spulen. Die Weicheisenringe bilden so einen zylindrischen Kanal, in dem ein Aktor geführt ist. Der Aktor weist nach außen radial abstehende Flansche auf. Die Flansche sind so angeordnet, dass ihre radial nach außen weisende Außenfläche mit Innenflächen der Weicheisenringe zusammenwirken und so einen geringen Luftspalt bilden. Dadurch wird die magnetische Flußdichte in diesen Positionen erhöht, so dass sich Rastpositionen des Aktors ergeben. In einem unbestromten Zustand der Zylinderspulen wirken nur die Permanentmagneten, so dass ein Magnetfeld erzeugt wird, das den Aktor in eine der Rastpositionen zwingt. Wird eine der beiden Spulen bestromt, so überlagert das Magnetfeld dieser Spule das Magnetfeld des ihm nächstgelegenen Permanentmagneten, so dass nur noch das Magnetfeld des entfernteren Permanentmagneten sowie das Magnetfeld der nunmehr bestromten Spule auf den Aktor wirkt. Dadurch wird der Aktor in eine Richtung weg von der Raststellung bewegt. Nachteilig ist die aufwendige und kostenintensive Herstellung des Hubmagneten aufgrund der Spulen und Permanentmagneten und die damit einhergehende hohe Zahl an Bauteilen.
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DE 1 923 627 A zeigt ein Magnetventil mit einem Aktor für eine Ventilgliedbetätigung, wobei der Aktor beziehungsweise ein als Anker ausgebildeter Teil des Aktors von einer elektrischen Spule umgeben ist, wobei eine als ein Ventilglied ausgebildete Kolbenstange des Aktors durch einen senkrecht zu ihr angeordneten Strömungskanal mit einer Abzweigung geführt ist, wobei so ein Dreiwegeventil geschaffen ist. Zwischen der Kolbenstange und dem Anker ist ein als Verbindungsstange ausgebildeter weiterer Teil des Aktors angeordnet. Die Verbindungsstange ist von einem schwimmend gelagerten Polstück umgeben, das entgegen der Wirkrichtung einer elektromagnetischen Kraft, welche durch eine Bestromung der Spule erzeugt wird, durch eine Schraubenfeder vorgespannt ist. Dabei stützt sich die Schraubenfeder einerseits an einem Außenflansch des Polstücks, andererseits an einem Spulenträge der Spule ab. Zwischen dem Polstück und dem Anker befindet sich vor einer Bestromung ein Luftspalt, der bei einer Bestromung durch eine magnetische Anziehung des Polstücks zu dem Anker verkleinert wird, bis die magnetische Anziehungskraft zwischen dem Anker und dem Polstück so groß wird, dass sie die Federkraft der Schraubenfeder überwindet und das Polstück gegen den Anker gezogen wird. Durch den Außenflansch des Polstücks, der gegen die nunmehr zusammengestauchte Schraubenfeder und dadurch gegen das Spulengehäuse drückt, ist eine Begrenzung für die Bewegung des Ankers und damit der Kolbenstange geschaffen. Auf diese Weise werden Fertigungstoleranzen ausgeglichen. Ferner ist eine Druckfeder zwischen der Kolbenstange und einer Gehäusewand angeordnet, die die Kolbenstange gegen eine Wirkrichtung der von der elektrischen Spule erzeugten Magnetkraft vorspannt.
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Es die Aufgabe der Erfindung, einen bistabilen Hubmagneten anzugeben, der einfach aufgebaut ist, einen geringen Energiebedarf aufweist und in seiner vorderen Rastposition ein elastisches Verhalten aufweist, wenn eine äußere Kraft auf den Anker einwirkt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen bistabilen Hubmagneten mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Der erfindungsgemäße bistabile Hubmagnet umfasst ein magnetisch leitendes Gehäuse, in dem ein zylinderförmiger Permanentmagnet angeordnet ist. Das Gehäuse definiert dabei einen zylindrischen Kanal mit einer koaxial dazu angeordneten Bewegungsachse, wobei ein Aktor entlang der Bewegungsachse beweglich angeordnet ist. Über das Gehäuse entfaltet der Permanentmagnet einen magnetischen Fluss derart, dass der bewegliche Aktor in eine Richtung der Bewegungsachse und entgegen der Richtung der Bewegungsachse des Aktors beaufschlagt werden kann. Dabei ist die Richtung, in die der Aktor von dem Permanentmagneten beaufschlagt wird, abhängig davon, in welcher Position der Aktor innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. In dem Gehäuse ist ein den Aktor in einem vorderen Bereich umgreifendes Ankergegenstück angeordnet. Das Ankergegenstück ist ebenfalls magnetisch leitend. In dem Ankergegenstück ist ein bewegliches Hilfsgegenstück angeordnet, das in dem vorderen Bereich zwischen dem Ankergegenstück und dem Aktor liegt und das Ankergegenstück und den Aktor voneinander radial zu der Bewegungsachse beabstandet. Das Hilfsgegenstück ist dabei beweglich koaxial zu der Bewegungsachse des Aktors ausgerichtet. Das Magnetfeld des Permanentmagneten erstreckt sich auch auf das Hilfsgegenstück. Dabei bestimmen einerseits eine Größe eines ersten Luftspaltes zwischen einer entgegen der Richtung der Bewegungsachse weisenden ersten vorderen Stirnfläche des Aktors und einer der ersten vorderen Stirnfläche gegenüberliegenden Schulter des Hilfsgegenstücks in einem vorderen Endbereich des Gehäuses und andererseits eine Größe eines zweiten Luftspaltes zwischen einer in der Richtung der Bewegungsachse weisenden zweiten hinteren Stirnfläche des Aktors und einer der zweiten hinteren Stirnfläche gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand in einem hinteren Endbereich des Gehäuses gemeinsam eine Wirkrichtung der magnetischen Beaufschlagung des Aktors durch den Permanentmagneten. Vorteilhaft ist so ein bistabiler Hubmagnet geschaffen, der es erlaubt, mittels eines einzigen Permanentmagneten den Aktor wahlweise in oder entgegen der Richtung der Bewegungsachse des Aktors mit einer magnetischen Kraft zu beaufschlagen. In dem Gehäuse ist ferner eine elektrische Spule angeordnet. Die elektrische Spule kann durch einen angelegten Strom ein Magnetfeld mit einer elektromagnetischen Kraft erzeugen, welches das Magnetfeld des Permanentmagneten entgegengerichtet überlagert, so dass die elektromagnetische Kraft gleichgroß oder größer ist als die Kraft des Permanentmagneten. Aufgrund der Überlagerung heben sich die beiden Magnetfelder zumindest gegenseitig auf, so dass der Aktor aus einer vorderen Endlage oder einer hinteren Endlage heraus entgegen dem Magnetfeld des Permanentmagneten bewegbar ist.
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Bevorzugt ist ein erstes Federglied zwischen der hinteren Stirnfläche des Aktors und dem Gehäuse gespannt. Bevorzugt ist das erste Federglied als Schraubenfeder ausgebildet, die einer Bewegung des Aktors in die Richtung zu der hinteren Endlage entgegenwirkt. Es ist auch möglich, dass das erste Federglied als Ringfeder, als Tellerfeder oder als elastisches Kunststoffglied ausgebildet ist. Durch das erste Federglied kann ein Zurückfedern des Aktors in die vordere Endlage bei einer Beaufschlagung des Aktors durch eine äußere Kraft erzielt bzw. unterstützt werden, so dass eine Auslenkung des Ankers in eine Bewegungsrichtung reversibel ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Aktor und dem Hilfsgegenstück ein zweites Federglied axial zu der Bewegungsachse gespannt, das einer magnetischen Kraft des Permanentmagneten, die zwischen dem Hilfsgegenstück und dem Aktor wirkt, entgegenwirkt. Wird der Aktor in eine vordere Position ausgelenkt, wobei die Größe des ersten vorderen Luftspalts verringert wird, so wird das zweite Federglied zusammengedrückt. Damit erhöht sich die Federkraft in die Richtung der Bewegungsachse des Aktors, übersteigt jedoch nicht die magnetische Kraft des Permanentmagneten. Das zweite Federglied umgibt vorteilhaft die Kolbenstange des Aktors, wobei sich das zweite Federglied einerseits an der ersten Stirnfläche des Ankers des Aktors abstützt und andererseits das Hilfsgegenstück beaufschlagt und in eine vordere Position drängt. Wird die Spule bestromt und damit der magnetischen Kraft des Permanentmagneten eine zumindest gleichgroße elektromagnetische Kraft entgegengestellt, so wird der Aktor durch die Kraft des zweiten Federgliedes in eine hintere Endlage ausgelenkt.
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Befindet sich der Aktor in der hinteren Endlage und wird dort durch den Permanentmagneten gehalten, so wird bei einer geeigneten Bestromung der Spule eine elektromagnetische Kraft erzeugt, die die Haltekraft des Permanentmagneten übersteigt und den Aktor in die vordere Endlage bewegt. Das Gehäuse und der Aktor können bevorzugt aus einem weichmagnetischen Material hergestellt sein. Besonders geeignete Materialien sind zum Beispiel Automatenstahl, Reineisen oder Siliziumeisen, die gegebenenfalls wärmebehandelt sind, um die magnetischen Eigenschaften zu verbessern.
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Der Permanentmagnet besteht bevorzugt aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung, kann aber auch aus anderen permanentmagnetischen Materialien hergestellt sein, wie beispielsweise aus gesintertem Eisenoxid, aus Aluminium-Nickel-Eisen-Cobalt-Legierungen oder aus einem magnetisiertem ferromagnetischen Material.
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Der Aktor umfasst vorzugsweise einen magnetischen oder magnetisierbaren Anker und eine nicht magnetische Kolbenstange. Um magnetische Verluste zu vermindern wird für den Anker bevorzugt ein Material mit geringer Remanenz eingesetzt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Aktor wahlweise in einem vorderen Endbereich oder einem hinteren Endbereich des Gehäuses festlegbar. Die magnetische Kraft des Permanentmagneten zwischen der ersten Innenfläche des Gehäuses in dem vorderen Endbereich und der vorderen ersten Stirnfläche des Aktors wird durch eine Reduzierung des ersten Luftspaltes vorteilhaft derart verstärkt, dass der Aktor in dem vorderen Endbereich festgehalten wird und damit festhaltbar ist. Befindet sich der Aktor in einer hinteren Position, wird ferner die magnetische Kraft des Permanentmagneten zwischen der zweiten Innenfläche des Gehäuses in dem hinteren Endbereich und der hinteren zweiten Stirnfläche auf den Aktor derart verstärkt, dass der Aktor in dem hinteren Endbereich festgehalten wird und damit festhaltbar ist.
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Das Ankergegenstück ist vorteilhaft in den Innenbereich des Gehäuses eingepresst Vorteilhaft ist der Aktor in dem Ankergegenstück geführt und bildet mit diesem einen magnetischen Schluss. Das Ankergegenstück weist vorteilhaft einen nach außen gerichteten Konus auf, dessen Außenradius sich zu einer Einlassrichtung des Ankers hin verjüngt. Dadurch wird die auf den Anker wirkende Magnetkraft vorteilhaft bei einem Einführen des Ankers hin zu einer vorderen Endlage konstant gehalten, so dass der bistabile Hubmagnet eine über einen definierten Hubbereichkonstante Kraft aufweist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Aktor in dem vorderen Endbereich durch eine dort angeordnete Lagerscheibe gelagert und geführt, die einen Innenraum des Gehäuses abschließt. Die Außenseite der Lagerscheibe bildet dabei mit der Außenwand des Gehäuses eine plane Fläche. Das Hilfsgegenstück kann sich vorteilhaft in einer vorderen Position gegen die Lagerscheibe entgegen einer Richtung der Bewegungsachse des Aktors abstützen. Vorteilhaft weist das Hilfsgegenstück einen Flansch in einem zu der Lagerscheibe weisenden Bereich auf, der in eine dafür vorgesehene Ausbuchtung des Ankergegenstücks ragt. Dabei bildet ein die Ausbuchtung begrenzender Vorsprung einen Anschlag für den Flansch, so dass eine axiale Bewegung des Hilfsgegenstücks einerseits durch die Lagerscheibe und andererseits durch den Vorsprung der Ausbuchtung des Ankergegenstücks begrenzt wird. Anstelle der Lagerscheibe kann das Ankergegenstück in einer alternativen Ausgestaltung derart geformt sein, dass das Ankergegenstück als Lagerung und Führung für den Aktor dient und den Innenraum des Gehäuses abschließt.
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Vorteilhaft liegt der erste vordere Luftspalt zwischen dem Hilfsgegenstück und dem Aktor. Bei einer Reduktion der Größe des ersten vorderen Luftspalts bis auf eine kritische Größe, wobei das zweite Federglied zusammengestaucht wird, kommt es zu einer solch starken magnetischen Haltekraft zwischen dem Hilfsgegenstück und dem Aktor durch den Permanentmagneten, dass das Hilfsgegenstück einer Bewegung des Aktors aus einer festen Endlage durch eine Krafteinwirkung folgt, ohne dass die Feder aus ihrer zusammengestauchten Lage heraus entspannt. Damit kann vorteilhaft eine hohe Haltekraft des Aktors erreicht werden, und ebenfalls ein Zurückfedern des Aktors in die vordere Endlage bei einer Beaufschlagung des Aktors durch eine große äußere Kraft erzielt bzw. unterstützt werden, so dass eine Auslenkung des Ankers in eine Bewegungsrichtung reversibel ist.
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Vorteilhaft wird das Ankergegenstück und der Aktor von einer Hülse radial umgeben. Dabei wirkt die Hülse bevorzugt magnetisch isolierend, so dass eine unsymmetrische Radialbeaufschlagung des Aktors durch außerhalb der Hülse und in dem Gehäuse angeordnete ein Magnetfeld erzeugende Komponenten, wie einen Elektro- oder den Permanentmagneten, vermieden oder zumindest abgeschwächt wird. Dadurch wird die Reibung durch fertigungsbedingte Unebenheiten in der Geometrie des Aktors durch radial auftretende unsymmetrische Magnetkräfte verringert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind das Gehäuse, das Ankergegenstück und das Hilfsgegenstück in einem unbestromten Zustand durch das Magnetfeld des Permanentmagneten magnetisch gepolt. Vorteilhaft ergibt sich dadurch zusammen mit dem Aktor ein geschlossener Magnetkreis, wenn dieser in einer vorderen Endlage positioniert ist. Dadurch wird vorteilhaft eine starke Haltekraft auf den Aktor erzeugt. Wenn der Aktor in der hinteren Endlage positioniert ist, umfasst der geschlossene Magnetkreis den Permanentmagneten, das Gehäuse und den Aktor.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines bistabilen Hubmagneten umfassend einen Permanentmagneten, eine elektrische Spule, und einen Aktor umfasst einen Schritt in dem die das Gehäuse umgebende Spule negativ bestromt wird, so dass der Aktor durch die Summe der an ihm angreifenden Kräfte in einen hinteren Endbereich des Gehäuses bewegt wird. Der Aktor wird in dem hinteren Endbereich durch die Magnetkraft des Permanentmagneten gehalten. Durch ein positives Bestromen wird das Magnetfeld des Permanentmagneten durchbrochen beziehungsweise verdrängt, so dass der Aktor in einen vorderen Endbereich des Gehäuses bewegt wird. Nach einem Ausschalten der zuvor positiv bestromten Spule wird der Aktor in dem vorderen Endbereich durch die Kraft der ersten Feder gehalten, die zweite Feder wird durch die Kraft des Permanentmagneten eingespannt.
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Vorteilhaft umfassen die angreifenden Kräfte eine erste Federkraft, die von dem ersten Federglied erzeugt wird, eine zweite Federkraft, die von dem zweiten Federglied erzeugt wird sowie eine Magnetkraft, die von dem Permanentmagneten und bei einem Bestromen auch von der elektrischen Spule erzeugt wird.
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Vorteilhaft wird das Verfahren dadurch verbessert, dass der Aktor nach einer Auslenkung durch eine von außen auf den Aktor ausgeübte Kraft durch die erste Federkraft in den vorderen Endbereich zurückgebracht und dort gehalten wird. In dieser Situation kann die zweite Feder ihre Wirkung nicht entfalten, weil sie durch die Kraft des Permanentmagneten bei konstanter Länge eingespannt bleibt. Vorteilhaft lassen sich dadurch Kraftspitzen auf den Aktor oder kurze Auslenkungen des Aktors ausgleichen oder dämpfen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird eine Induktivität der Spule laufend, in regelmäßigen oder unregelmäßigen zeitlichen Abständen durch eine Auswerteschaltung gemessen. Dabei wird ein geringer zeitlich variabler Prüfstrom durch die Spule geleitet, der eine Auslenkung des Aktors nicht bewirken kann. Der Spannungsverlauf über der Spule wird gemessen und ein Ergebnis der Messung von der Auswerteeinheit für die Bestimmung der Lage des Aktors verwendet.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen bistabilen Hubmagneten.
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1 zeigt einen bistabilen Hubmagneten 1 mit einem äußeren magnetisch leitenden Gehäuse 2 aus einer weichmagnetischen Legierung. Das Gehäuse 2 ist topfförmig mit einem durch einen Innenflansch 3 gebildeten Boden ausgestaltet und weist in seinem Innenraum 4 einen zylindrischen Hohlraum auf. In einem vorderen Endbereich 5 ist das Gehäuse 2 geöffnet. In einem hinteren Endbereich 6 weist das Gehäuse den Innenflansch 3 auf, der einen von dem Innenflansch 3 radial umrandeten Durchlass 7 des Gehäuses 2 begrenzt.
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In dem Innenraum 4 des Gehäuses 1 ist ein zu dem Innenflansch 3 des Gehäuses 1 beabstandeter zylindrischer Permanentmagnet 8 aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung eingelassen, der eine zentrale Innenbohrung 9 aufweist, wobei die Innenbohrung 9 einen größeren Kreisdurchmesser besitzt als der Durchlass 7 des Gehäuses 2. An den Permanentmagneten 8 angrenzend ist in einem vorderen Bereich des Innenraums 4 des Gehäuses 2 ein Spulenträger 10 angeordnet, auf den eine Spule 11 aus Kupfer gewickelt ist. Der Spulenträger 10 und das Gehäuse 2 bilden zusammen in dem vorderen Endbereich 5 eine koplanare Fläche 13. Der Spulenträger 10 weist ebenfalls eine Innenbohrung 12 auf, die koaxial zu der Innenbohrung 9 des Permanentmagneten angeordnet ist und den gleichen Durchmesser aufweist. Außerhalb des Gehäuses 2 und auf der koplanaren Fläche 13 ist ein Flanschring 14 angeordnet, der Bohrungen 15 für eine Befestigung an einer nicht gezeigten externen Komponente aufweist.
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Die Innenbohrungen 9, 12 des Permanentmagneten 8 und des Spulenträgers 10 sind durch eine im wesentlichen zylindrische Hülse 16 durchsetzt, wobei die Hülse 16 in dem hinteren Endbereich 6 des Gehäuses eine Stufe 17 aufweist, die in den durch den Innenflansch 3 des Gehäuses 2 gebildeten Durchlass 7 hineinreicht. Die Hülse 16 bildet dabei mit dem Innenflansch 3 eine nach außen gerichtete weitere koplanare Fläche 18, wobei der von dem Innenflansch 3 gebildete Durchlass 7 verschlossen ist. In dem vorderen Endbereich 5 weist die Hülse 16 eine radial nach außen weisendene Umbiegung 19 auf, die in eine radiale Ausnehmung 20 in einer Innenwand des Spulenträgers 10 eingreift, die Hülse 16 gegen den Spulenträger 10 abstützt sowie den Spulenträger 10 in dem Gehäuse 2 gegen den Permanentmagneten 8 festlegt.
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Die Mittelachse 21 der Hülse 16 bildet eine Bewegungsachse 21 eines in die Hülse 16 eingelassenen Aktors 22. Der Aktor umfasst einen Anker 23 und eine Kolbenstange 24, wobei der Anker 23 von der Kolbenstange 24 durchsetzt ist. Eine positive Bewegungsrichtung 25 des Aktors 22 wird durch die Richtung einer Bewegung des Aktors 22 von dem vorderen Endbereich 5 zu dem hinteren Endbereich 6 definiert.
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In einem Bereich des Aktors 22, der zu dem hinteren Endbereich 6 des Gehäuses 2 weist, ist eine zentrale Aussparung 26 angeordnet, die den Anker 22 axial zu einem Drittel durchsetzt. Dabei ragt die den Anker 22 durchsetzende Kolbenstange 24 teilweise in die Aussparung 26 hinein, wobei zwischen einer Innenwand der Aussparung 26 und der Kolbenstange 24 eine Stirnfläche in einer Ringnut gebildet wird. Eine zwischen der Hülse 16 und der Stirnfläche in der Ringnut eingespannte als erste Schraubenfeder 27 ausgebildetes erstes Federglied spannt den Aktor 22 in eine Richtung entgegen seiner Bewegungsrichtung 25 vor.
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Ferner ist in die Hülse 16 ein Ankergegenstück 28 eingelassen, das außerhalb des Flanschrings 14 in dem vorderen Endbereich 5 aus dem Gehäuse 2 hinausragt und mit einem ersten Flanschabschnitt 29 den Spulenträger 10 und die Hülse 16 hinterfasst und mit einem zweiten Flanschabschnitt 30, der an den ersten Flansch 29 angeordnet ist, den Flanschring 14 hinterfasst und diesen festlegt. Dabei ist der Flanschring 14 radial außerhalb des ersten Flansches 29 angeordnet. Das Ankergegenstück 28 umgibt die Kolbenstange 24 des Aktors 22 radial. Das Ankergegenstück 28 weist dabei eine Innenbohrung 31 auf, die einen größeren Innendurchmesser besitzt als ein Außendurchmesser der Kolbenstange 24 des Aktors 22.
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Der Innenbereich des Ankergegenstücks wird in dem vorderen Endbereich 5 des Gehäuses 2 durch eine von dem Aktor 22 durchsetzte Lagerscheibe 32 verschlossen. Gegen die Lagerscheibe 32 stützt sich ein Hilfsgegenstück 33, das mit einem als eine zweite Schraubenfeder 34 ausgebildeten zweiten Federglied gegen den Anker 23 des Aktors 22 vorgespannt ist. Das Hilfsgegenstück 33 weist an seinem nach vorne weisenden Ende einen kleinen Flansch 35 auf, der in eine dafür vorgesehene Ausnehmung 36 des Ankergegenstücks 28 ragt. Einerseits wird die Bewegung des Hilfsgegenstücks 33 durch die Lagerscheibe 32 begrenzt. Andererseits wird die Bewegung des Hilfsgegenstücks durch einen Vorsprung 37 an der Ausnehmung 36 des Ankergegenstücks durch den gegen den Vorsprung 37 schlagenden kleinen Flansch 35 begrenzt.
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Der Anker 23 des Aktors 22 weist in Richtung des Ankergegenstücks 28 einen vorderen Einschubbereich 38 mit einem verringerten Außendurchmesser auf, der es dem Aktor 22 beziehungsweise dem Anker 23 erlaubt, in das Ankergegenstück 28 einzugleiten.
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Das Ankergegenstück 28 weist auf seiner Außenwand in einem von dem Einschubbereich 38 einen Außenkonus 39 auf.
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Das Ausführungsbeispiel funktioniert nun wie folgt:
Befindet sich der Aktor 22 mit dem Anker 23 in dem hinteren Bereich 6 des Gehäuses 2 in einer hinteren Endlage, so wirkt einerseits die Kraft des Permanentmagneten 8 und die Kraft der ersten Schraubenfeder 27 gegen eine Kraft der zweiten Schraubenfeder 33. Das Magnetfeld des Permanentmagneten 8 durchsetzt den Innenflansch 7 des Gehäuses 2 und wirkt so auf eine hintere Stirnfläche des Aktors 22, so dass auf den Aktor 22 eine magnetische Kraft in Bewegungsrichtung 25 wirkt. Dadurch wird der Aktor in der hinteren Endlage gehalten.
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Durch ein Bestromen der Spule 11 wird das Magnetfeld des Permanentmagneten 8 durch das Magnetfeld der Spule 11 überlagert, wodurch die Summe der Kräfte der zweiten Schraubenfeder 34, der ersten Schraubenfeder 27 und des resultierenden Magnetfeldes gegen die Bewegungsrichtung 25 wirkt, so dass der Aktor 22 in eine vordere Endlage in dem vorderen Bereich 5 des Gehäuses 2 befördert wird, wodurch die erste Schraubenfeder 27 zusammengedrückt sowie der Luftspalt zwischen dem Hilfsgegenstück 33 und dem Aktor 22 geschlossen wird.
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Die Magnetkraft des Permanentmagneten 8 hält zusammen mit der ersten Federkraft der ersten Schraubenfeder 27 nach einem Abschalten der Spule 11 den Anker 23 an dem Hilfsgegenstück 33, so dass eine sichere Lagerung des Aktors 22 in der vorderen Endlage gewährleistet ist. Hierzu durchsetzt der magnetische Fluss des Permanentmagneten 8 das Ankergegenstück 28 und das Hilfsgegenstück 33 und erzeugt so die axiale magnetische Kraft des Permanentmagneten 8 zwischen dem Aktor 22 und dem Hilfsgegenstück 33, die die zweite Feder 34 gespannt hält.
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Wird die Kolbenstange 24 des Aktors 22 in der vorderen Endlage von einer äußeren Kraft beaufschlagt, so wird der Aktor 22 in eine Richtung hin zu der hinteren Endlage bewegt, wobei jedoch die Kraft der ersten Feder 27 den Aktor in die vordere Endlage zurückbewegt. Die Kraft des Permanentmagneten hält die zweite Feder 34 gespannt.
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Bei einem negativen Bestromen der Spule 11 wird nunmehr der Aktor 22 zurück in die hintere Endlage bewegt, wobei das Magnetfeld des Permanentmagneten 8 durch die negative Bestromung überlagert wird und das dadurch entstehende Magnetfeld nur noch eine geringe oder keine resultierende Kraft in Bewegungsrichtung erzeugt. Hierbei wird der magnetische Fluss zwischen dem Ankergegenstück 28, dem Hilfsgegenstück 33 und dem Aktor 22 verkleinert, so dass aufgrund ihrer Vorspannung die zweite Schraubenfeder 34 den Aktor 22 hin zu der hinteren Endlage von dem Hilfsgegenstück 33 wegbewegt. Gegen Ende der Bewegung wirkt die magnetische Kraft unterstützend.
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Eine Steuerung des bistabilen Hubmagneten 1 wird von einer (nicht dargestellten) elektrischen Steuereinheit ausgeführt. Die Steuereinheit regelt eine Bestromung der elektrischen Spule 11, wobei ein positiver elektrischer Strom auf die Spule 11 von einer (nicht dargestellten) Stromquelle übertragen wird, wenn die Kolbenstange 24 des Hubmagneten 1 ausgefahren werden soll und ein negativer Strom von der Stromquelle auf die Spule 11 übertragen wird, wenn die Kolbenstange 24 des Hubmagneten 1 eingefahren werden soll. Die elektrische Steuereinheit umfasst dabei bevorzugt einen digitalen speicherprogrammierbaren (nicht dargestellten) Prozessor und einen (nicht dargestellten) Leistungsverstärker, der als eine H-Brücke ausgestaltet ist. Die Steuereinheit schickt dabei durch die Spule 11 einen Prüfstrom, der eine Lageänderung des Aktors nicht oder nur unwesentlich bewirken kann. Durch eine Änderung des Prüfstroms und einer Überwachung der damit verbundenen Prüfspannung, misst die Steuereinheit die Induktivität der Spule 11, die von der Lage des Aktors 22 abhängig ist. Dadurch ist die Steuereinheit in der Lage, durch die gemessene charakteristische Prüfspannung eine Position des Aktors 11 zu jedem Zeitpunkt zu bestimmen. Für die Messung ist zwischen der Spule 11 und dem digitalen Prozessor ein Analog-Digitalwandler geschaltet, der die analogen Spannungsschwankungen über der Spule in ein von der Steuereinheit verwertbares digitales Signal umwandelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4334031 C2 [0002]
- DE 1253821 B [0003]
- DE 1923627 A [0004]
