DE102010037922A1

DE102010037922A1 - Aktor

Info

Publication number: DE102010037922A1
Application number: DE102010037922A
Authority: DE
Inventors: Robert Genderjahn; Peter-Michael Marienfeld; Dr. Karkosch Hans-Jürgen
Original assignee: ContiTech Vibration Control GmbH
Current assignee: ContiTech Vibration Control GmbH
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-05
Also published as: US9172277B2; CN203588789U; WO2012041550A1; US20130234539A1

Abstract

Ein Aktor (1) mit einer elektrisch leitenden Spule (2), die eine Längsachse L und eine Mehrzahl von Windungen aufweist, und wenigstens einem Magneten (8), der von den Windungen der Spule (2) in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung beabstandet angeordnet ist, wobei die Spule (2) auf einer dem Magneten (8) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines ersten Leitelements (4) und der wenigstens eine Magnet (8) auf einer den Windungen der Spule (2) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines zweiten Leitelements (10) zumindest teilweise überdeckt wird, wobei das erste Leitelement (4) die Spule (2) und das zweite Leitelement (10) den wenigstens einen Magneten (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung überragen und dort jeweils kragenartige Vorsprünge aufweisen (6, 7) zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Leitelement (4) und/oder das zweite Leitelement (10) aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktor mit einer elektrisch leitenden Spule, die eine Längsachse und eine Mehrzahl von Windungen aufweist, und wenigstens einem Magneten, der von den Windungen der Spule in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung beabstandet angeordnet ist, wobei die Spule auf einer dem Magneten abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines ersten Leitelements und der wenigstens eine Magnet auf einer den Windungen der Spule abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines zweiten Leitelements zumindest teilweise überdeckt wird, wobei das erste Leitelement die Spule und das zweite Leitelement den wenigstens einen Magneten in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung überragen und dort jeweils kragenartige Vorsprünge aufweisen.
Ein derartiger Aktor ist beispielsweise aus der DE 198 39 464 C2 bekannt.
Bei derartigen Aktoren bestehen das erste Leitelement und das zweite Leitelement meist aus einem ferromagnetischen Material hoher Permeabilität. Derartige Aktoren enthalten ein schwingungsfähiges Masse-Feder-System, das zu Schwingungen angeregt wird, wenn durch die Windungen der elektrisch leitfähigen Spule ein Wechselstrom getrieben wird.
Der wenigstens eine Magnet weist eine Magnetisierung auf, deren Magnetisierungsrichtung im Idealfall senkrecht auf der Längsachse der Spule steht. Wird die Spule nun von einem Strom durchflossen, wirkt eine Lorentzkraft in Richtung der Längsachse der Spule. Wie in der DE 198 39 464 C2 beschrieben, entsteht durch das Zusammenwirken der aus den kragenartigen Vorsprüngen des ersten Leitelements austretenden magnetischen Feldlinien und dem zweiten Leitelement bzw. der Magnetisierung des Magneten, der vorteilhafterweise ebenfalls aus einem Material hoher Permeabilität besteht, eine weitere Kraft, die in die gleiche Richtung wirkt, wie die beschriebene Lorentzkraft. Da die magnetischen Feldlinien durch das erste und das zweite Leitelement in bestimmte Richtungen geleitet werden, werden beide Bauteile vorliegend Leitelement genannt.
Bei einem gattungsgemäßen Aktor ist entweder die Spule mit dem ersten Leitelement oder der Magnet mit dem zweiten Leitelement federnd gelagert, während die jeweils andere Baugruppe statisch gelagert ist. Durchfließt die Spule nun ein Strom, kommt es durch die genannten Kräfte zu einer Verschiebung der federnd gelagerten Baugruppe und somit zu einer Bewegung des Aktors. Auf diese Weise können beispielsweise Ventile geöffnet oder geschlossen werden. Durchfließt die Spule statt des Gleichstroms ein Wechselstrom, dreht sich die Richtung der wirkenden Kräfte mit der Stromflussrichtung um. Auf diese Weise wird die federnd gelagerte Baugruppe in Schwingungen versetzt. Durch geschickte Wahl von Amplitude, Frequenz und Phase des angelegten Wechselstromes kann die Schwingung des Aktors sehr genau gesteuert werden. Auf diese Weise können beispielsweise Schwingungen erzeugt oder bereits bestehende Schwingungen mit einer gegenphasigen Schwingung überlagert und so kompensiert werden.
Nachteilig ist, dass die mit dem Aktor gemäß dem Stand der Technik erzielbare Erregerkraft bezogen auf das dafür nötige Bauvolumen relativ gering ist. Zudem unterliegt der nutzbare Frequenzbereich, in dem der Aktor mit Wechselstrom betrieben werden kann, Einschränkungen. Einerseits kann die erste Eigenfrequenz des Systems, die die niedrigste Frequenz ist, bei der der Aktor betrieben werden kann, nicht zu kleineren Frequenzen hin verschoben werden. Andererseits ist der Arbeitsbereich im höher frequenten Bereich aufgrund des geringen Spulenbauraumes und des damit verbundenen Einsatzes von Spulen mit geringem Drahtdurchmesser begrenzt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, zur Reduzierung von Verlusten durch Ringströme, die um die Magnetfeldlinien entstehen, sowohl das erste als auch das zweite Leitelement des Aktors als Schichtpaket vieler dünner Schichten aus ferromagnetischen Blechen mit hoher Permeabilität auszubilden. Dafür sind beispielsweise Elektrobleche oder Eisenbleche geeignet, die durch dünne Isolierschichten voneinander getrennt sind. Auf diese Weise können Ringströme um die Magnetfeldlinien nur in Größenordnungen der Dicke dieser Bleche entstehen. Obwohl damit die Verluste reduziert werden und damit der Wirkungsgrad des Aktors erhöht werden kann, sind noch immer die erreichbaren Erregerkräfte bezogen auf das Bauvolumen sehr gering.
Aus der DE 196 39 117 A1 und der EP 1 517 341 A2 ist die Verwendung eines elektromagnetischen Aktors als Brennstoffeinspritzventil bekannt. Hierfür sind jedoch keine großen Erregerkräfte nötig, so dass die zum Schalten eines Ventils nötige Kraft ohne Probleme durch einen bereits beschriebenen Aktor aufgebracht werden können. Zudem ist durch die spezielle Ausgestaltung des Aktors in den genannten Druckschriften die bezogen auf die Längsachse der Spule radiale Ausdehnung des Aktors deutlich reduziert. Der bewegliche Anteil des Aktors wird in beiden Druckschriften nämlich unterhalb des statisch gelagerten Anteils angeordnet, so dass die radiale Ausdehnung naturgemäß deutlich verringert wird. Das benötigte Volumen ist jedoch noch immer relativ groß, auch wenn es nun eine andere Form als bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform eines Aktors aufweist. Eine derartige Anordnung ist jedoch für den Betrieb mit Wechselstrom ungeeignet.
Zudem ist das Wirkprinzip der dort beschriebenen Aktoren ein anderes. Beide kommen ohne Magneten aus. Die Erregerkraft entsteht nur durch das durch die Spule erzeugte Magnetfeld und nicht wie vorliegend auch durch einen Strom, der in dem Magnetfeld des Magneten fließt und die dabei hervorgerufene Lorentzkraft.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Aktor so weiter zu entwickeln, dass bei festem Bauvolumen die erreichbaren Erregerkräfte erhöht bzw. bei fester Erregerkraft das Bauvolumen deutlich verringert werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einem gattungsgemäßen Aktor, bei dem das erste Leitelement und/oder das zweite Leitelement aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht. Pulververbundwerkstoffe, so genannte soft magnetic composites (SMC), bestehen aus einem Pulver eines Werkstoffes, der eine hohe Permeabilität aufweist. Die einzelnen Körner des Pulvers sind durch dünne Schichten beispielsweise eines Kunstharzes gegeneinander elektrisch isoliert.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die Verwendung eines weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffes als zumindest eines der beiden Leitelemente die Ausdehnung dieses Leitelements, also die Bauteilstärke, deutlich reduziert werden kann. Insbesondere der mittlere Bereich des ersten und/oder zweiten Leitelements ist nun deutlich dünner ausführbar, so dass hier Platz und Bauraum eingespart werden kann. Dieser kann nun dazu verwendet werden, bei gleichen Außenmaßen des Aktors mehr Spulenwindungen oder einen größeren Drahtquerschnitt bei gleicher Windungszahl vorzusehen. Durch beide Maßnahmen wird das Magnetfeld und damit die erreichbare Erregerkraft deutlich erhöht. Die geringere Bauteilstärke des ersten und/oder zweiten Leitelements kann jedoch auch dazu benutzt werden, bei gleicher Spulengeometrie und gleichem Drahtquerschnitt und damit gleicher Erregerkraft das benötigte Bauvolumen zu reduzieren.
Zudem kann durch die Erhöhung des Drahtquerschnittes der Arbeitsbereich des Aktors zu höheren Frequenzen hin verschoben werden.
Die Verwendung von weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen, so genannten soft magnetic composites (SMC) bietet zudem den Vorteil, dass die Herstellung im Pressverfahren, bzw. beim Sintern, erfolgt. Dadurch können sehr hohe Dichten erreicht werden und die Fertigungskosten im Vergleich zur mechanischen Bearbeitung von Eisenwerkstoffen bzw. der Herstellung von Blechpaketen stark reduziert werden. Zudem werden dadurch, dass die weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffe aus einem Pulver eines Materials mit hoher Permeabilität bestehen und die einzelnen Pulverkörner gegenseitig durch eine dünne Isolierschicht elektrisch isoliert sind, die magnetischen Eigenschaften des ersten und/oder des zweiten Leitelements weiter verbessert und die magnetischen Verluste weiter reduziert werden. Dies ist im Vergleich zu den Vorteilen, die die geringe Bauteilsausdehnung und das damit verbundene geringe Bauteilvolumen liefert, jedoch nur ein untergeordneter Effekt.
Vorteilhafterweise weist das erste Leitelement und/oder das zweite Leitelement in ihrem mittleren Bereich in bezüglich der Längsachse radialer Richtung eine Ausdehnung auf, die kleiner ist als drei Millimeter, bevorzugt kleiner als zwei Millimeter. Im Vergleich zu Aktoren aus dem Stand der Technik kann die Wandstärke des jeweiligen Leitelements in diesem Bereich folglich teilweise mehr als halbiert werden. Dadurch entsteht zusätzlicher Bauraum, der entweder zu Maßnahmen genutzt werden kann, die die Erregerkraft erhöhen, oder als Bauraum für den fertigen Aktor eingespart werden kann.
Alternativ kann beispielsweise auch das Ummanteln der Spule mit Kunststoff oder ähnlichem vorgesehen sein, ohne dass Einschränkungen hinsichtlich Windungszahl und Drahtdurchmesser hingenommen werden müssen.
Die kragenartigen Vorsprünge des ersten Leitelements weisen in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in bezüglich der Längsachse axialer Richtung eine Ausdehnung d auf. Die kragenartigen Vorsprünge des zweiten Leitelements weisen in bezüglich der Längsachse axialer Richtung eine Ausdehnung D auf, wobei sich als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, wenn das Ausdehnungsverhältnis d/D zwischen 0,6 und 0,8 liegt. Damit wird eine optimale magnetische Steifigkeit erreicht. Zudem zeigt der Aktor ein lineares Betriebsverhalten, solange die maximale Auslenkung der federnd gelagerten Baugruppe, also entweder des ersten Leitelements mit der Spule oder des Magneten mit dem zweiten Leitelement, weniger als ±d/2 entlang der Längsachse der Spule beträgt.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn sowohl das erste Leitelement als auch das zweite Leitelement aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht. Dadurch können in beiden Leitelementen die Wirbelströme und die damit verbundenen magnetischen Verluste reduziert und die Dichte erhöht und damit die erzielbare Erregerkraft gegebenenfalls angehoben werden. Zudem kann bei beiden Leitelementen der benötigte Bauraum reduziert werden.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine Magnet ringförmig um die Spule angeordnet. Durch eine rotationssymmetrische Ausgestaltung des Aktors kann die gesamte Mantelfläche der Spule für die Wechselwirkung mit dem wenigstens einen Magneten verwendet werden, so dass die erreichte Erregerkraft auch in dieser Hinsicht maximiert wird. Vorzugsweise ist bei dieser Ausgestaltung des Aktors das zweite Leitelement ringförmig um den wenigstens einen Magneten angeordnet und besteht aus mehreren Teilen, insbesondere zwei Halbschalen.
Das ringförmig um den wenigstens einen Magneten angeordnete zweite Leitelement kann dabei eine rotationssymmetrische Ausgestaltung um die Längsachse der Spule vervollständigen. Somit wird auch die Kraft, die durch die Wechselwirkung der aus dem Kern austretenden magnetischen Feldlinien mit dem Magneten bzw. dem zweiten Leitelement hervorgerufen wird, in vollem Umfang um die Spule herum genutzt und damit maximiert. In dieser Ausgestaltung befindet sich das erste Leitelement in der Spule und bildet den Kern der Spule. Es ist vorzugsweise ebenfalls rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse der Spule ausgebildet. Das zweite Leitelement ist außen am Aktor angeordnet und bildet den Mantel des Aktors.
Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann auch die Spule ringförmig um den wenigstens einen Magneten angeordnet sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist dann das erste Leitelement ringförmig um die Spule angeordnet und besteht aus mehreren Teilen, insbesondere zwei Halbschalen. In dieser Ausgestaltung bildet das zweite Leitelement zusammen mit dem Magneten den Kern der Spule und des Aktors. Das erste Leitelement bildet als äußerstes der hier beschriebenen Bauteile den Mantel des Aktors.
In beiden Ausgestaltungsformen und Anordnungen funktioniert der Aktor und die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen voll zum Tragen.
Durch die Herstellung des Mantels in mehreren Teilen, insbesondere aus zwei identischen bzw. symmetrischen Halbschalen aus dem Pulververbundwerkstoff wird die Fertigung vereinfacht, die Fertigungskosten reduziert und die Montage erleichtert. Es bietet sich dadurch die Möglichkeit, die Spule bzw. den wenigstens einen Magneten zwischen die beiden Halbschalen zu klemmen, so dass ein sicherer Halt im System realisiert ist. Damit wird ein zusätzliches aufwändiges Verkleben oder ähnliches unnötig, wodurch die Herstellung weiter vereinfacht wird.
Vorteilhafterweise weist der wenigstens eine Magnet in bezüglich der Längsachse axialer Richtung eine größere Ausdehnung auf als die Spule. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der wenigstens eine Magnet die Spule in bezüglich der Längsachse axialer Richtung um 2 mm bis 5 mm, bevorzugt um 3 bis 5 mm, besonders bevorzugt um 4 mm überragt. Dies gilt vorteilhafterweise jeweils auf beiden Seiten der Spule in Längsrichtung.
Die kragenartigen Vorsprünge des ersten Leitelements überragen dabei den wenigstens einen Magneten in axialer Richtung um 1 mm bis 3 mm, bevorzugt um 2 mm. Auch dies gilt vorzugsweise auf beiden Seiten in Längsrichtung der Spule. Mit den genannten Abmessungen kann ein lineares Aktorverhalten im genannten Auslenkungsbereich der federnd gelagerten Bauteilgruppe gewährleistet werden.
Vorzugsweise ist die Spule und das erste Leitelement oder der wenigstens eine Magnet und das zweite Leitelement auf wenigstens einer mehrarmigen Scheibenfeder federnd gelagert. Mit dieser Ausgestaltung werden Nachteile der im Stand der Technik eingesetzten Blattfedern hinsichtlich Steifigkeit, Linearität und Dauerfestigkeit kompensiert. Aktoren aus dem Stand der Technik besitzen zudem eine sehr große magnetische Steifigkeit entlang der Längsachse der Spule. Zur Kompensation dieser magnetischen Steifigkeit ist eine sehr große Federsteifigkeit nötig. Dies ist nachteilig für die Dauerfestigkeitseigenschafen sowie die untere Resonanzfrequenz des Systems. Durch die Überlagerung der magnetischen Steifigkeit und der Federsteifigkeit ergibt sich die Gesamtsteifigkeit des Systems. Damit das Betriebsverhalten des Aktors innerhalb der maximalen Auslenkung linear ist, muss auch die Gesamtaktorsteifigkeit linear sein.
Durch eine mehrarmige Scheibenfeder ist es möglich, ein lineares Verhalten, eine hohe Dauerfestigkeit und eine ideale Spannungsverteilung innerhalb der Feder zu ermöglichen. Damit kann die auftretende Quersteifigkeit senkrecht zur Längsachse der Spule, die durch die magnetischen Anziehungskräfte verursacht wird, aufgenommen werden, sowie die magnetische Steifigkeit entlang der Längsachse kompensiert werden. Zudem kann bei einer mehrarmigen Scheibenfeder durch eine Änderung der Dicke der Scheibe die Federsteifigkeit für den relevanten Auslenkungsbereich einfach, schnell und verlässlich realisiert werden. Dabei werden Dauerfestigkeitseigenschaften nicht nachteilig beeinflusst. Somit kann die Modularität des Gesamtsystems hinsichtlich der Änderung der ersten Eigenfrequenz auch durch einen unkomplizierten Federaustausch realisiert werden. Ein optimaler Federwerkstoff ist zudem nicht magnetisch und korrosionsgeschützt.
Durch die verschiedenen Maßnahmen, die sich gegenseitig ergänzen und Synergieeffekte hervorrufen, kann die Gesamtsteifigkeit des Systems verändert werden, die erste Eigenfrequenz zu kleinen Frequenzen verschoben werden und zudem die maximale erreichbare Erregerkraft angehoben werden. Durch die Wahl des Ausdehnungsverhältnisses d/D beispielsweise kann zum einen die magnetische Steifigkeit reduziert werden. Zum anderen kann dadurch jedoch auch die notwendige Steifigkeit der eingesetzten Blattfedern herabgesetzt werden, wodurch die erste Eigenfrequenz des Systems zu kleineren Frequenzen hin verschoben wird.
Ein Aktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat folglich eine Erhöhung der Kraftdichte, also eine größere Erregerkraft bezogen auf das notwendige Bauvolumen zur Folge. Es ist möglich, bei gleich bleibendem Bauvolumen die Spule mit einer größeren Anzahl von Windungen auszustatten, wodurch die erreichte Erregerkraft erhöht werden kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch ein größerer Drahtquerschnitt gewählt werden, wodurch der Frequenzbereich, in dem der Aktor betrieben werden kann, zu hohen Frequenzen hin verschoben werden kann. Der maximal zulässige Spulenstrom wird durch den größeren Drahtquerschnitt erhöht.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
1 – einen schematischen Querschnitt durch einen Aktor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
2 – eine Draufsicht auf eine Scheibenfeder zur Verwendung in einem Aktor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Aktor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Aktor 1 umfasst eine Spule 2, die um ein erstes Leitelement 4 gewickelt ist und eine Längsachse L aufweist. Das erste Leitelement 4 überragt die Spule 2 in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung auf beiden Seiten und weist dort kragenartige Vorsprünge 6 auf. Diese kragenartigen Vorsprünge 6 weisen in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung eine Ausdehnung d auf.
Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spule 2 mit dem darin befindlichen ersten Leitelement 4 zwischen zwei Magneten 8 angeordnet. Dieser weist eine Magnetisierung auf, die in 1 durch kleine Pfeile angedeutet ist. Die Magneten 8 sind im Idealfall homogen magnetisiert und weisen eine Magnetisierungsrichtung auf, die, wie in 1 gezeigt, optimalerweise senkrecht auf der Längsachse L steht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Magnet 8 ringförmig um die Spule 2 und das darin befindliche erste Leitelement 4 angeordnet.
Jeder Magnet 8 ist auf der der Spule 2 abgewandten Seite und auf zwei in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung liegenden Seiten von einem zweiten Leitelement 10 bedeckt. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese Überdeckung auf den genannten Seiten vollständig, was für die Erfindung jedoch nicht notwendig ist.
Das zweite Leitelement 10 überragt den Magneten 8 in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung in Form von kragenartigen Vorsprüngen 7 und weist in diesem Bereich eine Ausdehnung D auf. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis der Ausdehnung d zur Ausdehnung D kleiner als 1, insbesondere zwischen 0,6 und 0,8. Auf diese Weise kommt es zu optimalen Überdeckungen der sich gegenüberliegenden Stirnflächen 12 des ersten Leitelements 4 bzw. der kragenartigen Vorsprünge 6 und der Stirnflächen 14 des zweiten Leitelements 10 bzw. der kragenartigen Vorsprünge 7.
Wird die Spule 2 von einem Strom durchflossen, werden verschiedene Kräfte hervorgerufen, die alle in die gleiche Richtung wirken. Zum einen kommt es durch den Stromfluss im magnetischen Feld der Magneten 8 zu einer Lorentzkraft, die auf die Spule 2 in 1 nach oben oder unten also entlang der Längsachse der Spule wirken. Zudem wird durch den Strom durch die Spule 2 ein magnetisches Feld in dem ersten Leitelement 4 und in den kragenartigen Vorsprüngen 6 induziert. Aufgrund der Wechselwirkung dieses Magnetfeldes mit dem zweiten Leitelement 10 bzw. dem Magneten 8 werden weitere Kräfte hervorgerufen, die in die gleiche Richtung wie die Lorentzkraft wirken.
Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spule 2 und das darin befindliche erste Leitelement 4 über Federn 16 federnd gelagert. Alternativ kann auch statt der Spule 2 mit dem ersten Leitelement 4 der Magnet 8 mit dem zweiten Leitelement 10 federnd gelagert sein.
Durch die durch den Stromfluss durch die Spule 2 induzierten Kräfte wird im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Spule 2 und das erste Leitelement 4 entlang der Längsachse 11 verschoben.
Erfindungsgemäß besteht das erste Leitelement 4 und/oder das zweite Leitelement 10 aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff. Auf diese Weise ist es möglich, die Ausdehnung a des jeweiligen Leitelements 4, 10 in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung zu reduzieren. Die Ausdehnung a des zweiten Leitelements, die in 1 dargestellt ist, beträgt insbesondere weniger als 3 mm, besonders bevorzugt weniger als 2 mm. Auf diese Weise kann der für den Aktor 1 benötigte Bauraum deutlich reduziert werden. Auch durch den geringen Bauraumbedarf eines aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff bestehenden ersten Leitelements 4 wird der für den Aktor 1 benötigte Bauraum reduziert.
Ist der Bauraum jedoch vorhanden, kann durch die sehr geringe Ausdehnung a des zweiten Leitelements 10 der von dem jeweiligen zweiten Leitelement 10 umgebene Magnet 8 in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung weiter von der Spule 2 und dem darin befindlichen ersten Leitelement 4 entfernt angeordnet werden können. Dadurch wird der für die Spule 2 zur Verfügung stehende Bauraum vergrößert, so dass beispielsweise ein Draht mit einem größeren Querschnitt oder eine größere Windungsanzahl oder sogar eine Kombination aus beidem verwendbar ist. Dadurch wird der Frequenzbereich, in dem der Aktor betrieben werden kann, vergrößert und die maximal erreichbare Erregerkraft erhöht.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann auch der wenigstens eine Magnet 8 innen und die Spule 2 außen im Aktor angeordnet sein. In diesem Fall befindet sich der wenigstens eine Magnet 8 im Inneren der Spule 2, bleibt jedoch von den Windungen der Spule 2 in bezüglich der Längsachse L der Spule in radialer Richtung beabstandet. Die den Windungen abgewandte Seite des Magneten 8, die von dem zweiten Leitelement 10 zumindest teilweise bedeckt wird, ist dann die Seite, die weiter von den Windungen der Spule 2 beabstandet ist, so dass sich das zweite Leitelement 10 im Zentrum des rotationssymmetrisch aufgebauten Aktors befindet. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die für die in 1 gezeigte Ausführungsform beschriebenen Größenverhältnisse auch in diesem Fall gelten.
2 zeigt die Draufsicht auf eine in einem Aktor verwendbare Scheibenfeder 18. Eine derartige mehrarmige Scheibenfeder 18 ist zur federnden Lagerung beispielsweise der Spule 2 und des ersten Leitelement 4 geeignet. Die Längsachse L der Spule 2 verläuft im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel aus der Zeichenebene heraus. Eine derartige Scheibenfeder 18 ist in der Lage, die auftretenden Quersteifigkeiten in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung, die durch die magnetischen Anziehungskräfte verursacht werden, aufzunehmen. Insbesondere durch die Wechselwirkung zwischen der gegebenenfalls stromdurchflossenen Spule 2, dem darin befindlichen ersten Leitelement 4 und dem Magneten 8 treten magnetische Anziehungskräfte auf, die sich nur in dem Fall zu Null addieren, wenn die Spule 2 exakt mittig zwischen den Magneten 8 angeordnet ist. Da dies jedoch praktisch nie vollständig zu erreichen ist, sind in einem Aktor 1 immer effektive magnetische Kräfte vorhanden, die durch eine Scheibenfeder 18, wie sie in 2 gezeigt ist, aufgefangen werden können.
Eine Scheibenfeder 18 ist zudem in der Lage, die magnetische Steifigkeit in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung zu kompensieren.
Das in 2 gezeigte Design einer Scheibenfeder 18 ist besonders vorteilhaft, da es ermöglicht, allein über die Federdicke, also die Ausdehnung der Scheibenfeder 18 senkrecht zur Zeichenebene, die Federsteifigkeit zu ändern und an die jeweiligen Gegebenheiten des Aktors 1 anzupassen. Dabei werden die Dauerfestigkeitseigenschaften der Feder nicht nachteilig beeinflusst. Sollte bei einem gegebenen Aktor 1 die erste Eigenfrequenz geändert werden müssen, kann dies einfach durch einen unkomplizierten einfach auszuführenden Federaustausch realisiert werden, wobei eine Scheibenfeder 18 einer ersten Dicke durch eine Scheibenfeder 18 einer zweiten Dicke, die größer oder kleiner als die erste Dicke sein kann, ausgetauscht wird.
Die in 2 in einer Draufsicht gezeigte Scheibenfeder 18 verfügt über drei Federarme 20, die im Abstand von 120° an einem äußeren Rand 22 der Scheibenfeder 18 angeordnet sind. Die Federarme 20 verlaufen vom äußeren Rand 22 der Scheibenfeder 18 zu einer Mittelscheibe 24, auf der das zu lagernde Bauteil gelagert wird. Im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Federarme 20 dabei zunächst mit dem Uhrzeigersinn an der Mittelscheibe 24 vorbei, um dann in einer Kehre 26 die Richtung zu ändern und auf die Mittelscheibe 24 zuzulaufen. Natürlich können die Federarme 20 zunächst auch gegen den Uhrzeigersinn verlaufen, die Scheibenfeder 18 folglich gespiegelt ausgeführt werden.
Der Durchstoßpunkt der Längsachse L der Spule 2 bildet den Mittelpunkt der Scheibenfeder 18. Der Vorteil beim in 2 gezeigten Design liegt darin, dass das Design einfach für größere und kleinere Aktoren 1 skaliert werden kann. Dabei ist die Skalierungsgröße, auf die alle anderen Maße bezogen sind, der Außendurchmesser d_A der Scheibenfeder 18. Die nachfolgend genannten Maße sind immer in Einheiten dieses Außendurchmessers d_A angegeben. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die folgenden Maße und Abstände eingehalten werden. Ein Innenradius r₁ der Kehre 26 beträgt vorteilhafterweise 0,08 mal den Außendurchmesser d_A. Der Außenradius r₂ der Kehre 26 beträgt vorteilhafterweise 0,19 mal den Außendurchmesser d_A. Der Übergangsradius r₃ der Krümmung, mit der der Federarm 20 in den äußeren Rand 22 der Scheibenfeder 18 übergeht, beträgt vorteilhafterweise 0,16 mal den Außendurchmesser d_A.
Je nachdem, um welchen Winkel die Scheibenfeder 18 um den Mittelpunkt bzw. die Längsachse L der Spule 2 gedreht wird, ist die Position der Mittelpunkte der genannten Krümmungen, von denen die Radien r₁, r₂ und r₃ starten, jeweils verschieden. Die relative Position der Mittelpunkte zueinander bleibt jedoch naturgemäß gleich. Bei einer bestimmten Winkelposition lassen sich drei Mittelpunkte vorteilhafterweise durch folgende Maße beschreiben. Der Mittelpunkt einer Innenkrümmung einer Kehre 26 eines ersten Federarms 20 ist in einer Draufsicht um 0,16 Außendurchmesser d_A nach rechts und um 0,14 Außendurchmesser d_A nach unten verschoben. Gleichzeitig ist der Mittelpunkt eines Außenradius r₂ eines zweiten Federarms 20 um 0,18 Außendurchmesser d_A nach links und um 0,04 Außendurchmesser d_A nach unten verschoben. Der Mittelpunkt der Krümmung mit dem Übergangsradius r₃ des dritten Federarms 20 ist gleichzeitig um 0,11 Außendurchmesser d_A nach links und um 0,28 Außendurchmesser d_A nach oben verschoben. Auf diese Weise sind die drei Mittelpunkte relativ zueinander eindeutig bestimmt.
Jeder Federarm 20 verfügt zwischen der Kehre 26 und dem äußeren Rand 22 der Scheibenfeder 18 vorteilhafterweise über einen linearen Bereich konstanter Breite b. Diese Breite b beträgt vorteilhafterweise 0,11 Außendurchmesser d_A. Die Länge des geraden Bereichs des Federarms 20 beträgt an der Innenseite, also an der Seite des Federarms 20, die der Mittelscheibe 24 zugewandt ist, 0,43 Außendurchmesser d_A. Der Winkel α zwischen dem geraden Bereich eines ersten Federarms 20 und dem benachbarten Federarm 20 beträgt vorteilhafterweise 11,9°. Die Federdicke, also die Ausdehnung der Scheibenfeder 18 in bezüglich der Längsrichtung L axialer Richtung beträgt vorteilhafterweise zwischen 0,4 mm und 0,7 mm.
Bezugszeichenliste

L: Längsachse
d: Ausdehnung
D: Ausdehnung
d_A: Außendurchmesser
r₁: Innenradius
r₂: Außenradius
r₃: Übergangsradius
b: Breite
α: Winkel
1: Aktor
2: Spule
4: erstes Leitelement
6: kragenartiger Vorsprung
7: kragenartiger Vorsprung
8: Magnet
10: zweites Leitelement
12: Stirnfläche
14: Stirnfläche
16: Feder
18: Scheibenfeder
20: Federarm
22: äußerer Rand
24: Mittelscheibe
26: Kehre

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19839464 C2 [0002, 0004]
DE 19639117 A1 [0008]
EP 1517341 A2 [0008]

Claims

Aktor (1) mit einer elektrisch leitenden Spule (2), die eine Längsachse L und eine Mehrzahl von Windungen aufweist, und wenigstens einem Magneten (8), der von den Windungen der Spule (2) in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung beabstandet angeordnet ist, wobei die Spule (2) auf einer dem Magneten (8) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines ersten Leitelements (4) und der wenigstens eine Magnet (8) auf einer den Windungen der Spule (2) abgewandten Seite von einem mittleren Bereich eines zweiten Leitelements (10) zumindest teilweise überdeckt wird, wobei das erste Leitelement (4) die Spule (2) und das zweite Leitelement (10) den wenigstens einen Magneten (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung überragen und dort jeweils kragenartige Vorsprünge aufweisen (6, 7), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (4) und/oder das zweite Leitelement (10) aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff besteht.
Aktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (4) und/oder das zweite Leitelement (10) in ihrem mittleren Bereich in bezüglich der Längsachse L radialer Richtung eine Ausdehnung a aufweist, die kleiner als 3 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm ist.
Aktor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kragenartigen Vorsprünge (6) des ersten Leitelements (4) in bezüglich der Längsrichtung L axialer Richtung eine Ausdehnung d aufweisen und dass die kragenartigen Vorsprünge (7) des zweiten Leitelements (10) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung eine Ausdehnung D aufweisen, wobei das Ausdehnungsverhältnis d/D zwischen 0,6 und 0,8 liegt.
Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Magnet (8) ringförmig um die Spule (2) angeordnet ist.
Aktor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Leitelement (10) ringförmig um den wenigstens einen Magneten (8) angeordnet ist und aus mehreren Teilen, insbesondere aus zwei Halbschalen, besteht.
Aktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) ringförmig um den wenigstens einen Magneten (8) angeordnet ist.
Aktor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Leitelement (4) ringförmig um die Spule (2) angeordnet ist und aus mehreren Teilen, insbesondere zwei Halbschalen, besteht.
Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Magnet (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung eine größere Ausdehnung aufweist, als die Spule (2) und die Spule (2) um 2 mm bis 5 mm, bevorzugt um 3 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt um 4 mm überragt.
Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kragenartigen Vorsprünge (6) des ersten Leitelements (4) den wenigstens einen Magneten (8) in bezüglich der Längsachse L axialer Richtung um 1 mm bis 3 mm, bevorzugt um 2 mm überragen.
Aktor (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (2) und das erste Leitelement (4) oder der wenigstens eine Magnet (8) und das zweite Leitelement (10) auf wenigstens einer mehrarmigen Scheibenfeder (18) federnd gelagert ist.