DE102010032688B4 - Electromagnet with permanent magnet - Google Patents
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Abstract
Elektromagnet (1) mit einem Gehäuse (2a, 2b), der zur Erzeugung eines ersten Magnetfeldes (M2) eine Erregerspule (3) und zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes (M1) einen Permanentmagneten (4) sowie einen in dem Gehäuse zentrisch gelagerten, zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung gegenüber einem Polkern (5) verschiebbaren Anker (6) aufweist, wobei der Anker (6) topfförmig mit einem Bodenteil (6a) und einem eine Innenmantelfläche (6d) aufweisenden Hohlzylinderabschnitt (6b) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stirnfläche (6c) des Hohlzylinderabschnittes (6b) in der zweiten Stellung des Ankers (6) an einer kreisringförmigen Polfläche (7) anliegt und gleichzeitig der Hohlzylinderabschnitt (6b) den Polkern (5) im Wesentlichen hülsenförmig umschließt, – innerhalb der kreisringförmigen Polfläche (7) der Permanentmagnet (4) auf der ankerabgewandten Seite des Polkerns (5) angeordnet ist, und – die Erregerspule (3) zum Verschieben des Ankers (6) aus der zweiten in die erste Stellung derart bestromt wird, dass deren Magnetfeld (M2)...Electromagnet (1) with a housing (2a, 2b), which for generating a first magnetic field (M2) has an excitation coil (3) and for generating a second magnetic field (M1) a permanent magnet (4) as well as a centrally mounted one in the housing has a first position and a second position with respect to a pole core (5) displaceable armature (6), the armature (6) being cup-shaped with a base part (6a) and a hollow cylindrical section (6d) having an inner circumferential surface (6d), characterized in that that - the end face (6c) of the hollow cylinder section (6b) in the second position of the armature (6) bears against an annular pole face (7) and at the same time the hollow cylinder section (6b) surrounds the pole core (5) in a substantially sleeve-shaped manner; within the annular pole face (7) the permanent magnet (4) is arranged on the side of the pole core (5) facing away from the armature, and -; the excitation coil (3) for moving the armature (6) from the second to the first position is energized such that its magnetic field (M2) ...
Description
Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to an electromagnet having the features of the preamble of patent claim 1.
Ein solcher Elektromagnet ist z. B. aus
Bei Bestromung der Erregerspule dieses Elektromagneten fährt ein Anker aus der ersten Hubstellung gegen die Federkraft einer Druckfeder in eine zweite Hubstellung, in der der Anker an einem Polkern annähernd flächenbündig anliegt und dabei die Druckfeder vorgespannt wird. Der Permanentmagnet ist auf der zum Anker abgewandten Seite des Polkernes so angeordnet, dass dessen Magnetfeld das Magnetfeld der Erregerspule bei dieser Bewegung des Ankers in die zweite Hubstellung unterstützt. Nach dem Abschaltendes Stromes wird der Anker lediglich durch das Magnetfeld des Permanentmagneten dieser zweiten Hubstellung gehalten.When energizing the exciter coil of this electromagnet an anchor moves from the first stroke position against the spring force of a compression spring in a second stroke position, in which the armature rests almost flush on a pole core while the compression spring is biased. The permanent magnet is arranged on the side facing away from the armature of the pole core so that its magnetic field supports the magnetic field of the excitation coil in this movement of the armature in the second stroke position. After switching off the current, the armature is held only by the magnetic field of the permanent magnet of this second stroke position.
Um bei diesem bekannten Elektromagneten den Anker aus der zweiten Hubstellung wieder in die erste Hubstellung zu bewegen, wird die Erregerspule in umgekehrter Richtung bestromt, so dass ein gegen das Permanentmagnetfeld gerichtetes Magnetfeld von der Erregerspule aufgebaut wird. Dabei wird das Magnetfeld des Permanentmagneten im Bereich der anliegenden Polflächen des Ankers und des Polkernes so geschwächt, dass die Rückstellkraft der Druckfeder ausreicht, um die Haftkraft des Ankers am Polkern zu überwinden und den Anker in die erste Hubstellung zu bewegen, wo er aufgrund einer verbleibenden Vorspannung der Druckfeder stabil gehalten wird.In order to move the armature from the second stroke position back into the first stroke position in this known electromagnet, the exciter coil is energized in the reverse direction, so that a directed against the permanent magnetic field magnetic field is built up by the exciter coil. In this case, the magnetic field of the permanent magnet in the adjacent pole faces of the armature and the pole core is weakened so that the restoring force of the compression spring is sufficient to overcome the adhesive force of the armature on the pole core and to move the armature in the first stroke position, where he due to a remaining Pretension of the compression spring is kept stable.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass nach dem Ablösen des Ankers vom Polkern mit ansteigendem Strom durch die Erregerspule eine Kraftwirkung auf den Anker entsteht, die jedoch seiner Bewegungsrichtung entgegen gerichtet ist, wodurch die Bewegung des Ankers gehemmt und dadurch die Schaltzeit verlängert wird. Im Idealfall könnte die auf den Anker wirkende Kraft auf einen Wert gegen Null gebracht werden, jedoch kann die nach dem Ablösen von dem System verbrauchte elektrische Energie nicht für die Bewegung des Ankers in seine erste Stellung genutzt werden. Auch die Kraft des Permanentmagneten auf den Anker ist nach dessen Ablösen von der Polfläche entgegen der Bewegungsrichtung des Ankers gerichtet und kann bestenfalls annähernd neutral wirken.The disadvantage here, however, that after the detachment of the armature from the pole core with increasing current through the excitation coil, a force on the armature arises, but its direction of movement is directed against, whereby the movement of the armature inhibited and thereby the switching time is extended. Ideally, the force acting on the armature could be brought to a value close to zero, however, the electrical energy consumed after detachment from the system can not be used for the movement of the armature to its first position. The force of the permanent magnet on the armature is directed against the direction of movement of the armature after its detachment from the pole face and can act at best approximately neutral.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagneten der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die nach dem Ablösen des Ankers von der Polfläche verbrauchte elektrische Energie besser genutzt wird, ohne dass zusätzlicher Bauraum erforderlich ist und insbesondere die angeführten Nachteile vermieden werden.The invention is therefore based on the object to provide an electromagnet of the type mentioned, in which the consumed after the detachment of the armature from the pole face electrical energy is better used without additional space is required and in particular the mentioned disadvantages are avoided.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromagneten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by an electromagnet having the features of patent claim 1.
Bei einem solchen Elektromagnet ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
- – der Anker topfförmig mit einem Bodenteil und einem Innenmantelfläche aufweisenden Hohlzylinderabschnitt ausgebildet ist,
- – die Stirnfläche des Hohlzylinderabschnittes in der zweiten Stellung des Ankers an einer kreisringförmigen Polfläche anliegt und gleichzeitig der Hohlzylinderabschnitt den Polkern im Wesentlichen hülsenförmig umschließt,
- – innerhalb der kreisringförmigen Polfläche der Permanentmagnet auf der ankerabgewandten Seite des Polkerns angeordnet ist, und
- – die Erregerspule zum Verschieben des Ankers aus der zweiten in die erste Stellung derart bestromt wird, dass deren Magnetfeld im Bereich des Übergangs zwischen der kreisringförmigen Polfläche und der Stirnfläche des Hohlzylinderabschnittes dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegen gerichtet ist und ansonsten sich der erste Magnetkreis und der zweite Magnetkreis gleichsinnig in dem Gehäuse überlagern.
- - The anchor cup-shaped with a bottom part and an inner circumferential surface having hollow cylinder portion is formed,
- - The end face of the hollow cylinder portion in the second position of the armature rests against an annular pole face and at the same time the hollow cylinder portion encloses the pole core substantially sleeve-shaped,
- - Is disposed within the annular pole face of the permanent magnet on the armature facing away from the pole core, and
- - The excitation coil for moving the armature from the second to the first position is energized such that their magnetic field in the region of the transition between the annular pole face and the end face of the hollow cylindrical portion is directed against the magnetic field of the permanent magnet and otherwise the first magnetic circuit and the second Overlay the magnetic circuit in the same direction in the housing.
Durch diese bauraumsparende konstruktive Maßnahme, den Permanentmagneten innerhalb der Polfläche, die die Haftfläche für den Anker bildet, anzuordnen, verläuft dessen Magnetfeld parallel zu demjenigen der Erregerspule, d. h. beide Magnetflüsse wirken in dieselbe Richtung; jedoch nicht im die Haftkraft erzeugenden Luftspalt, also in dem Bereich der Haftfläche, bei dem in der zweiten Stellung des Ankers die Stirnfläche des Hohlzylinderabschnittes des topfförmigen Ankers an der kreisringförmigen Polfläche anliegt.By this space-saving constructive measure to arrange the permanent magnet within the pole face, which forms the adhesive surface for the anchor, whose magnetic field is parallel to that of the exciter coil, d. H. both magnetic fluxes act in the same direction; However, not in the adhesive force generating air gap, ie in the region of the adhesive surface, in which rests in the second position of the armature, the end face of the hollow cylindrical portion of the pot-shaped armature on the annular pole face.
Dies hat zur Folge, dass ein Teil des permanenterregten Flusses bereits vor dem Zeitpunkt der Bestromung der Erregerspule genutzt wird, um eine Vormagnetisierung des Magnetkreises der Erregerspule zu erreichen, wodurch die Stromanstiegszeit für die Bestromung der Erregerspule verkürzt wird. Ferner wird, nachdem die von dem Permanentmagneten erzeugte Haltekraft im Bereich der Haftfläche soweit kompensiert ist, dass sich der Anker ablöst und sich in Richtung seiner ersten Stellung bewegt, eine zusätzliche Kraftkomponente in Bewegungsrichtung des Ankers erzeugt, die auf dem Magnetkreis mit dem vereinigten Magnetfluss der beiden Magnetfelder beruht. Mit dieser Kraftkomponente wird der Anker bis zum Erreichen seiner ersten Stellung beschleunigt, d. h. der nach dem Ablösen des Ankers von seiner Polfläche bzw. Haftfläche weiter ansteigende Strom der Erregerspule und der Magnetfluss des Permanentmagneten werden über den gesamten Hubweg genutzt.As a result, a part of the permanently excited flux is used already before the time of energization of the exciting coil in order to achieve a biasing of the magnetic circuit of the exciting coil, whereby the current rise time for energizing the exciting coil is shortened. Furthermore, after the holding force generated by the permanent magnet in the region of the adhesive surface is compensated so far that the armature separates and moves in the direction of its first position, an additional force component in the direction of movement of the armature generated on the magnetic circuit with the combined magnetic flux based on both magnetic fields. With this force component, the armature is accelerated until it reaches its first position, that is, after detachment of the armature from its pole face or adhesive surface further increasing current of the exciter coil and the magnetic flux of the permanent magnet are used over the entire stroke.
Diese vorteilhaften Eigenschaften führen in Summe zu einer kürzeren Schaltzeit, die unter 2 ms liegt und mit bekannten Elektromagneten, insbesondere solche mit Federspeicher unter der Voraussetzung vergleichbaren Bauraums nicht erreicht werden kann.These advantageous properties lead in sum to a shorter switching time, which is less than 2 ms and can not be achieved with known electromagnets, in particular those with spring accumulator on the condition of comparable installation space.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Polkern so ausgebildet, dass die Innenmantelfläche des Hohlzylinderabschnittes des Ankers verschiebbar auf der Mantelfläche des Polkern anliegt. Damit stülpt sich der topfförmige Anker auf seinem Weg in die zweite Stellung über den feststehenden Polkern, wodurch zusätzlich eine stabilitätserhöhende Führung für den Anker entsteht. Vorzugsweise ist zur Verbesserung der Führung auf der Innenmantelfläche des Zylinderabschnittes eine Buchse angeordnet, deren Innendurchmesser im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Polkerns entspricht.In one embodiment of the invention, the pole core is formed so that the inner circumferential surface of the hollow cylinder portion of the armature slidably rests on the lateral surface of the pole core. Thus, the cup-shaped anchor everting on its way to the second position on the fixed pole core, which additionally creates a stability-increasing guidance for the anchor. Preferably, to improve the guidance on the inner circumferential surface of the cylinder portion, a bush is arranged, whose inner diameter substantially corresponds to the outer diameter of the pole core.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dann, wenn die kreisringförmige Polfläche eine zylindrische Ausnehmung zur Aufnahme des Permanentmagnetes umschließt, wobei die ankerseitige Fläche des Permanentmagneten mit der Polfläche fluchtet. Damit wird konstruktiv eine genaue Lagefixierung in dem Gehäuse des Elektromagneten erreicht und zusätzlich die Montage des Permanentmagneten erleichtert.A particularly advantageous embodiment of the invention results when the annular pole surface encloses a cylindrical recess for receiving the permanent magnet, wherein the armature-side surface of the permanent magnet is aligned with the pole face. This constructively achieves a precise position fixing in the housing of the electromagnet and in addition facilitates the assembly of the permanent magnet.
Ein besonders konstruktiv einfaches Gehäuse für den erfindungsgemäßen Elektromagneten ergibt sich gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, wonach der Anker, der Polkern und der Permanentmagnet von einem stirnseitigen Ankerraum eines Gehäuseteils des Gehäuses aufgenommen werden, der von einem hohlzylindrischen Gehäuseabschnitt gebildet wird, so dass dadurch eine topfförmige bzw. becherförmige Gestalt entsteht.A particularly structurally simple housing for the electromagnet according to the invention results according to an embodiment of the invention, according to which the armature, the pole core and the permanent magnet are received by an end-side armature space of a housing part of the housing, which is formed by a hollow cylindrical housing portion, so that thereby a cup-shaped or cup-shaped shape arises.
Vorzugsweise wird ein solcher Ankerraum von einem weiteren Gehäuseteil verschlossen, der die Erregerspule aufnimmt. Somit kann die Erregerspule in dem weiteren Gehäuseteil vormontiert werden, so dass zur vollständigen Endmontage der erfindungsgemäßen Elektromagneten lediglich der Ankerraum mit diesem weiteren Gehäuseteil zu verschließen ist. Damit wird eine einfache und fehlersichere Montage erreicht.Preferably, such an armature space is closed by a further housing part, which receives the exciter coil. Thus, the exciter coil can be preassembled in the other housing part, so that for complete final assembly of the electromagnet according to the invention, only the armature space is to be closed with this further housing part. This achieves a simple and fail-safe installation.
Besonders vorteilhaft ist es für die Vormontage der Erregerspule in dem weiteren Gehäuseteil, wenn die ankerseitige Stirnfläche des weiteren Gehäuseteils zur Aufnahme der Erregerspule eine ringförmige Nut aufweist. In montagefreundlicher Weise kann die Erregerspule in diese Nut eingelegt werden.It is particularly advantageous for the pre-assembly of the exciter coil in the further housing part, when the armature-side end face of the further housing part for receiving the exciter coil has an annular groove. In an easy to install way, the excitation coil can be inserted into this groove.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hinsichtlich des weiteren Gehäuseteils, weist dessen ankerseitige Stirnfläche eine zylinderförmige Ausnehmung auf, die in der ersten Stellung des Ankers einen zylindrischen Fortsatz des Ankers aufnimmt. Damit wird eine verbesserte Führung des Ankers in dessen erster Stellung erreicht.In a further embodiment of the invention with regard to the further housing part, its armature-side end face has a cylindrical recess which receives a cylindrical extension of the armature in the first position of the armature. This achieves improved guidance of the armature in its first position.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei Anliegen der Stirnfläche des Hohlzylinderabschnittes an der Polfläche zwischen dem Polkern und dem Bodenteil des Ankers ein Magnetspaltraum gebildet wird. Damit kann in vorteilhafter Weise die Haftkraft des Permanentmagneten in der zweiten Stellung eingestellt werden, insbesondere eine optimale Abstimmung mit einer ggf. vorgespannten Druckfeder durchgeführt werden. Vorzugsweise wird dies dadurch unterstützt, dass der Polkern ankerseitig eine konusförmige Vertiefung und der Bodenteil des Ankers eine hieran angepasste konusförmige Erhebung aufweist.In a further embodiment of the invention, a magnetic gap space is formed when the end face of the hollow cylinder section abuts against the pole face between the pole core and the bottom part of the armature. This can be adjusted in an advantageous manner, the adhesive force of the permanent magnet in the second position, in particular an optimal vote with an optionally biased compression spring can be performed. This is preferably supported by the fact that the pole core on the anchor side has a conical depression and the bottom part of the anchor has a cone-shaped elevation adapted thereto.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Anker mittels eines Stößels in dem Gehäuse verschiebbar gelagert; vorzugsweise weist der zentral durch das Gehäuse geführte Stößel auf der ankerabgewandten Seite des Permanentmagneten eine Druckfeder auf, die in der ersten Stellung des Ankers vorgespannt ist. Diese Druckfeder wirkt in der zweiten Stellung des Ankers als Federspeicher, der nachdem die Haftkraft durch das Magnetfeld der Erregerspule soweit reduziert wurde, dass die Federkraft überwiegt, seine potentielle Energie an den Anker abgibt und ihn damit in Richtung seiner ersten Stellung drückt.According to a further embodiment of the invention, the armature is displaceably mounted in the housing by means of a plunger; Preferably, the guided centrally through the housing plunger on the armature remote from the permanent magnet on a compression spring which is biased in the first position of the armature. This pressure spring acts in the second position of the armature as a spring store, which has been reduced by the adhesive force by the magnetic field of the exciter coil so far that the spring force outweighs its potential energy to the armature and thus pushes it in the direction of its first position.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Anker ebenfalls mittels eines Stößels in dem Gehäuse verschiebbar gelagert, jedoch ist zur Aufnahme einer Druckfeder ein die kreisringförmige Polfläche umlaufender Ringnut vorgesehen, wobei sich die Druckfeder gegen den umlaufenden Rand des Ankers abstützt. Vorzugsweise ist der Stößel bei dieser Ausgestaltung der Erfindung derart ausgebildet, dass er einenends mit dem Bodenteil des Ankers endet und andernends durch das weitere Gehäuseteil geführt ist.According to another embodiment of the invention, the armature is also displaceably mounted in the housing by means of a plunger, however, a ring-shaped pole surface circumferential groove is provided for receiving a compression spring, wherein the compression spring is supported against the peripheral edge of the armature. Preferably, the plunger is formed in this embodiment of the invention such that it ends at one end with the bottom part of the armature and the other end is guided by the other housing part.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described in detail by means of embodiments with reference to the accompanying figures. Show it:
Die
Der Elektromagnet
Das Gehäuseteil
Der Anker
Wie oben bereits ausgeführt, ist der Anker
In dieser zweiten Position des Ankers
Der Permanentmagnet
Die ankerseitige Stirnfläche des Polkerns
Der Hohlzylinderabschnitt
Diese Druckfeder
Zum Lösen des Ankers
In
Der Magnetfluss M2 der Erregerspule
Dadurch dass sich die Magnetflüsse M1 und M2 außerhalb des die Haftfläche beinhaltenden Teilmagnetkreises überlagern, entsteht eine Kraftkomponente, die die Bewegung des Ankers
Der Elektromagnet
Dieser Elektromagnet
Das weitere Gehäuseteil
Der Anker
Weitere konstruktive Details des Ankers
Der Anker
Die Funktionsweise des Elektromagneten
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Elektromagnetelectromagnet
- 2a2a
- Gehäuseteilhousing part
- 2b2 B
- weiteres Gehäuseteilfurther housing part
- 2c2c
-
hohlzylindrischer Gehäuseabschnitt am Gehäuseteil
2a hollow cylindrical housing section on thehousing part 2a - 2d2d
-
Ringflansch am weiteren Gehäuseteil
2b Ring flange on the other housing part2 B - 33
- Erregerspuleexcitation coil
- 44
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 55
- Polkernpole core
- 5a5a
-
Mantelfläche des Polkerns
5 Lateral surface of thepole core 5 - 5b5b
-
konusförmige Vertiefung des Polkerns
5 cone-shaped depression of thepole core 5 - 66
- Ankeranchor
- 6a6a
-
Bodenteil des Ankers
6 Bottom part of theanchor 6 - 6b6b
-
Hohlzylinderabschnitt des Ankers
6 Hollow cylinder section of theanchor 6 - 6c6c
-
Stirnfläche des Hohlzylinderabschnitts
6b End face of thehollow cylinder portion 6b - 6d6d
-
Innenmantelfläche des Hohlzylinderabschnitts
6b Inner circumferential surface of thehollow cylinder portion 6b - 6e6e
-
zylindrischer Fortsatz des Ankers
6 cylindrical extension of theanchor 6 - 6f6f
-
konusförmige Erhebung der Bodenteils
6a cone-shaped elevation of thebottom part 6a - 6g6g
-
umlaufenden Rand des Bodenteils
6b circumferential edge of thebottom part 6b - 77
- kreisringförmige Polflächecircular pole surface
- 88th
- BuchseRifle
- 99
- zylindrische Ausnehmungcylindrical recess
- 1010
- Ankerraumarmature space
- 1111
-
ringförmige Nut des weiteren Gehäuseteils
2b annular groove of the other housing part2 B - 1212
-
zylinderförmige Ausnehmung des weiteren Gehäuseteils
2b cylindrical recess of the further housing part2 B - 1313
- MagnetspaltraumMagnetic gap
- 1414
- Stößeltappet
- 1515
- Druckfedercompression spring
- 1616
-
Ringnut im Gehäuseteil
2a Ring groove in thehousing part 2a - 17a17a
-
Durchgangsbohrung im Gehäuseteil
2a Through hole in thehousing part 2a - 17b17b
-
Durchgangsbohrung im Gehäuseteil
2b Through hole in the housing part2 B - 1818
-
konusförmige Erhebung am weiteren Gehäuseteil
2b cone-shaped elevation on the other housing part2 B - 1919
- Bolzen zum Reduzieren der PEM-HaltekraftBolt for reducing the PEM holding force
- 2020
- Gleitlagerbuchseplain bearing bush
- 2121
- Führungsrohrguide tube
- 2222
- DurchgangsbohrungThrough Hole
- 2323
- Schultershoulder
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