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Die Erfindung betrifft einen bistabilen Elektromagneten mit einem ferromagnetischen Kern, der mit einer bestrombaren Spule bewickelt ist, und mit zwei Permanentmagneten, die kolinear zum ferromagnetischen Kern angeordnet und in oder an einem beweglichen Anker befestigt sind.
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Bistabile Hubmagnete sind im Stand der Technik bekannte Stellvorrichtungen und dienen beispielsweise zum Betätigen von Ventilen, Relais oder anderen schaltenden Einheiten. Dabei wird mittels elektrischer Ansteuersignale eine elektromagnetische Spule kurzzeitig oder für eine vorbestimmte Zeit bestromt, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das zu einer Stellbewegung eines beweglichen Stellelements führt. Je nach Polung des elektromagnetischen Feldes bewegt sich das Stellelement in eine erste Richtung oder in eine zu dieser entgegengesetzten Richtung. Das Besondere an bistabilen Elektrohubmagneten ist, dass das Stellelement dieser Stellvorrichtungen in jeder seiner beiden Endpositionen verbleibt, ohne dass die Spule mit Strom beaufschlagt werden muss. Eine Bestromung der Spule ist lediglich für die Bewegung erforderlich. Demgegenüber ermöglichen monostabile Elektrohubmagnete lediglich das Halten einer ersten Position im unbestromten Zustand, wohingegen die zweite Position nur durch Bestromung der Spule, d. h. durch ein elektrisch aufgebautes Magnetfeld gehalten wird. Dies bedeutet, dass das Stellelement beim Abschalten des elektrischen Stroms durch die Spule von der zweiten Endposition zurück in die erste Endposition fällt.
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Ein Elektrohubmagnet der erfindungsgemäßen Gattung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 10 448 A1 bekannt. Sie offenbart eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem in einem Gehäuse gegen einen Anschlag bewegbaren Stellelement in der Art eines Kolbens, und eine relativ zum Stellelement stationär und zum Ausüben einer bidirektionalen Kraft auf dieses ausgebildeten Spuleneinrichtung. Das Stellelement weist Permanentmagnete auf und die Spuleneinrichtung ist so beschaltet und mit den Polen der Permanentmagnete zusammenwirkend, dass in einem ersten Ansteuerzustand der Spuleneinrichtung diese das Stellelement mittels Abstoßung der Permanentmagnete in eine erste Anschlagposition im Gehäuse und in einem zweiten Ansteuerzustand der Spulenmittel diese das Stellelement in eine zweite, der ersten Anschlagposition gegenüberliegenden Anschlagposition im Gehäuse bewegen. Der erste und der zweite Ansteuerzustand sehen eine zeitlich begrenzte, insbesondere eine einmalige, impulsförmige Strombeaufschlagung der Spulenmittel vor, und das Stellelement verbleibt in einem auf den ersten bzw. zweiten Ansteuerzustand folgenden stromlosen Zustand der Steuermittel in der jeweiligen Anschlagposition durch die Wirkung der Permanentmagnete. Die Spuleneinrichtung besitzt einen ferromagnetischen Ringkern, um den eine entsprechende Spule gewickelt ist. Der Ringkern liegt in einer Ringnut eines zylindrischen Eisenelements, durch das eine zentrale Bohrung verläuft, in der als Stellelement ein Stift längsverschieblich geführt ist. Beidseitig des Eisenelements ist auf dem Stift jeweils einer der ringscheibenförmigen Permanentmagnete kraftschlüssig fixiert, so dass eine mechanische und magnetkraftübertragende Kopplung zwischen den Permanentmagneten über den Stift gebildet ist. Diese Konstruktion besitzt eine vergleichsweise große Bauform der Stellvorrichtung hinsichtlich ihrer radialen Abmessungen. Die axiale Länge des Elektrohubmagneten ist vergleichsweise kurz, so dass diese Bauform nur wenige Einsatzbereiche abzudecken vermag.
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In der
DE 102 07 828 A1 ist eine weitere Variante eines Elektrohubmagneten beschrieben. Das Schalten erfolgt bei diesem Elektrohubmagneten jedoch mittels zweier Elektromagnete, wobei die Arretierung in den Endlagen über Permanentmagnete erfolgt. Nachteilig ist hierbei die aufwändige und umständliche Konstruktion. Die Krafteinleitung erfolgt nicht in der Hubachse, sondern am Umfang einer entsprechend an der Hubachse angebrachten Scheibe, so dass für etwaige Inhomogenität im Magnetfeld und ein daraus resultierendes Moment entsprechende Gleitlager benötigt werden, damit sich das stabförmige Stellmittel entlang der Hubachse trotzdem frei bewegen kann. Ein weiterer Nachteil besteht in den aufwändig geformten Permanentmagneten, dessen Pole nicht auf gegenüberliegenden Seiten bzw. Enden eines Quaders oder sonstigen Profils, beispielsweise einer U-Form liegen, sondern auf der radialen Innenseite und Außenseite eines kurzen, dickwandigen Rohres. Darüber hinaus benötigt diese Konstruktion viele Einzelteile, insbesondere mehrere Eisenkerne, zwei Spulen, Dämpfungen und Lager, was nicht nur zu hohen Herstellungskosten sondern auch entsprechend großem Bauraum führt.
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Eine weitere Stellvorrichtung ist in der
DE 197 12 293 A1 beschrieben, die jedoch nur eine Monostabilität gewährt. Die Arretierung in den Endlagen erfolgt über einen einzigen stationären Permanentmagneten. Zum Schalten wird dessen Magnetfeld durch eine elektromagnetische Spule überlagert und durch das Magnetfeld einer zweiten elektromagnetischen Spule bewegt. Wird der Strom einer der beiden Spulen abgeschaltet, fällt das stangenförmige Stellmittel bedingt durch eine Federbelastung zurück in seine Ausgangslage. Dieser monostabile Hubmagnet besitzt eine definierte Nullposition. Ein stromloses Halten eines weiteren Zustands ist nicht möglich. Das Schalten erfolgt durch Anziehungskräfte, wobei auch die Anziehungskräfte des Permanentmagneten mit entsprechendem Leistungsaufwand überlagert werden müssen, so dass eine beträchtliche Energiezufuhr für den Schaltvorgang notwendig ist. Der konstruktive Aufbau der Stellvorrichtung besteht auch hier aus vielen Teilen und baut trotz anders lautender Beschreibung relativ groß.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen konstruktiv einfachen, preiswert herzustellenden und auf kleinstem Raum realisierbaren bistabilen Elektrohubmagneten bereitzustellen, der ein Stellmittel in zwei stabilen mechanischen Zuständen stromlos halten kann bzw. einstellen kann, wobei eine besonders Flache Bauform erreicht werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein bistabiler Elektrohubmagnet mit einem ferromagnetischen, mit einer bestrombaren Spule bewickelten Kern und mit zwei Permanentmagneten vorgeschlagen, die kolinear zum ferromagnetischen Kern angeordnet und in oder an einem relativ zum Kern beweglichen Anker befestigt sind, wobei der ferromagnetische Kern stabförmig ist, und zwischen dem Permanentmagneten liegt und der Anker den Kern zumindest teilweise außen umgreift.
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Dieser vorgeschlagene Elektrohubmagnet kann einen beweglichen Anker zwischen zwei Endpositionen elektrisch schalten, wobei nur für die Dauer der Umschaltung Energie benötigt wird. Dies bedeutet, dass die stabilen Endpositionen auch ohne die Zufuhr von Energie, d. h. im stromlosen Zustand gehalten werden. Durch die kolineare Anordnung von Spulenkern und Permanentmagneten erhält der erfindungsgemäße Elektrohubmagnet eine konstruktiv sehr einfache, längliche Bauform, die zudem flach ist, so dass er sich für eine Vielzahl von Anwendungszwecken eignet.
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Der stabförmige ferromagnetische Kern wird außen von dem Anker, der hier als Stellmittel dient, umgriffen, so dass keine koaxial ineinander liegenden Bauteile vorhanden sind, die teuer und aufwändig herzustellen wären. Dadurch, dass der Anker den aus Spule und Kern gebildeten Elektromagneten außen umgreift und daher von außen zugänglich ist, kann auf einfache Weise eine manuelle Umschaltung zwischen den Endposition des Ankers durch entsprechende Krafteinleitung auf den Anker erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nach einer manuellen Umschaltung von einer Endposition in die andere Endposition kein mechanisches Zurücksetzen in die vorherige Endposition notwendig ist, um den Elektrohubmagneten weiter betreiben zu können. Vielmehr kann der Elektrohubmagnet aus der geänderten Stellposition normal weiter betrieben werden.
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Vorzugsweise ist der Anker durch einen Rahmen gebildet, der den Elektromagneten seitlich abdeckend umgibt. Die Permanentmagnete können in zwei gegenüberliegenden Querseiten des Rahmens aufgenommen sein, die über zwei parallele stegförmige Längsseiten des Rahmens miteinander verbunden sind. In dieser konstruktiven Ausgestaltung decken die stegförmigen Längsseiten den Elektromagneten seitlich ab. Sie verlaufen achsparallel zum ferromagnetischen Kern und gehen an Ihren Endseiten in die Querseiten über, die die Längsseiten entsprechend miteinander verbinden. Der Anker bildet in dieser Ausführungsvariante einen rechteckigen Rahmen, der in seiner Gesamtheit beweglich ist.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann der Anker des erfindungsgemäßen Elektrohubmagneten einen Schlitten bilden, der ein deckelförmiges Gehäuseteil des Elektromagneten darstellt. Gegenüber der Ausführungsvariante des Ankers als Rahmen weist der genannte schlittenförmige Anker zusätzlich ein deckelförmiges Element auf, das die Querseiten und/oder Längsseiten miteinander verbindet und diesen Rahmen zumindest teilweise abdeckt. Vorzugsweise sind die den Rahmen bildenden Querseiten und Längsseiten über einen Deckel miteinander verbunden, so dass der so gebildete schlittenförmige Anker den Elektrohubmagneten an fünf Seiten abdeckt. Der Schlitten kann an seinem Deckel, bzw. an seinem deckelförmigen Element ein oder mehrere Aktuatorelemente tragen, die zur Schaltung einer externen Komponente dienen. Beispielsweise können auf dem Deckel elektrische Leiterbahnen aufgebracht sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Anker ein Formteil aus Kunststoff sein. Dies hat den Vorteil, dass für die Herstellung des beweglichen Stellelements des erfindungsgemäßen Elektrohubmagneten besonders kostengünstig erfolgen kann.
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Vorzugsweise kann der ferromagnetische Kern an zumindest einer seiner Stirnseiten von einem Dämpfungselement abgedeckt sein, wobei das Dämpfungselement einen Anschlag für den Anker bildet. Vorzugsweise ist an beiden Stirnseiten des Kerns jeweils ein Dämpfungselement angeordnet. Ein Dämpfungselement bewirkt, dass der Anker bei der Schaltung von einer Endposition zur anderen Endposition nicht gegen den stabförmigen Kern schlägt, sondern vielmehr durch das Dämpfungselement abgedämpft wird, so dass die Geräuschentwicklung beim Schaltvorgang minimal ist. Da ein Dämpfungselement in der bevorzugten Ausführung an jeder der beiden Stirnseiten des Kerns angeordnet ist, erfolgt die Dämpfung der Stellbewegung für beide Endpositionen. Die Dämpfungselemente können aus Kunststoff hergestellt sein.
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Vorzugsweise bilden die Dämpfungslemente jeweils eine scheibenförmige Wand, die einstückig mit einer Bodenplatte ausgebildet ist, an der der ferromagnetische Kern gehalten ist. Der ferromagnetische Kern hegt folglich zwischen den beiden Dämpfungselementen formschlüssig oder kraftschlüssig ein und wird von diesem zumindest mitgehalten. Die Bodenplatte deckt den Elektromagneten an seiner Unterseite ab, so dass die Bodenplatte und der Anker in seiner schlittenförmigen Variante den Elektrohubmagneten als Gehäuseteile vollständig umgeben. Die Bodenplatte kann ebenfalls aus Kunststoff hergestellt werden, so dass die Dämpfungselemente aus demselben Kunststoffmaterial gespritzt sein können.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Befestigung des Kerns an der Bodenplatte über Rastelemente erfolgen, die an der Bodenplatte angeformt sind und von dieser abstehen. Die Rastelemente können gleichzeitig Führungen für die Längsseiten des Ankers bilden.
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Die Befestigung der Permanentmagnete an dem Anker kann mittels Rastelementen erfolgen. Diese Rastelemente können an dem Anker angeformt sein und die Permanentmagnete formschlüssig halten. Alternativ können die Permanentmagnete in dem Anker zumindest teilweise eingebettet, beispielsweise eingegossen oder von der den Anker bildenden Kunststoffformmasse umspritzt sein. Hierzu können die Permanentmagnete in die entsprechende Spritzgussform eingelegt und von dem den herzustellenden Anker bildenden Kunststoffformmasse umspritzt sein. Dies hat den Vorteil, dass bei der Montage kein weiterer Herstellungsschritt erforderlich ist und die Permanentmagnete lagesicher in dem Anker integriert sind.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante können die Permanentmagnete in taschenförmigen Ausnehmungen des Ankers eingesetzt sein. Eine zum Kern gerichtete, die Ausnehmung begrenzende Wand kann im an den Kern angezogenen Zustand des jeweiligen Permanentmagneten an dem Kern zumindest mittelbar anliegen. Dies bedeutet, dass die Permanentmagnete an ihrer zum Kern gerichteten Seitenfläche von der Wand abgedeckt werden, so dass die Permanentmagnete nicht unmittelbar am Kern zur Anlage gelangen. Sofern die Stirnseite des stabförmigen Kerns zusätzlich durch jeweils ein Dämpfungselement abgedeckt ist, liegen in jeder angezogenen Position dieses Dämpfungselement und die Wand aneinander an. Sind die Dämpfungselemente und der Anker jeweils aus Kunststoff hergestellt, wird aufgrund der Anlage von Kunststoff gegen Kunststoff eine maximale Geräuschminimierung erreicht.
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Des Weiteren bewirken eine Wand einerseits sowie ein Dämpfungselement andererseits, dass im angezogenen Zustand eines Permanentmagneten ein definierter Abstand zwischen diesem und dem Kern beibehalten wird, der der Gesamtbreite von Wand und Dämpfungselement in axialer Richtung entspricht, so dass die magnetische Kraft im Moment des Abstoßens eines der Permanentmagnete vom Kern nicht zu groß ist. Dies bewirkt eine sanfte Stellbewegung.
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Die verwendeten Permanentmagnete können scheibenförmig sein, wobei ihre Magnetisierung koaxial zum Kern liegt und die Pole der Permanentmagnete gleicher Polarität zum Kern gerichtet sind. Beispielsweise können die beiden Südpole jeweils zum Kern gerichtet sein, wohingegen die beiden Nordpole außen, d. h. auf der dem Kern abgewandten Seite der Permanentmagnete liegen. Alternativ können die Nordpole zum Kern gerichtet sein und die Südpole entsprechend auf der dem Kern abgewandten Seite der Permanentmagnete liegen. Die Anordnung der Permanentmagnete derart, dass die Pole gleicher Polarität zum Kern gerichtet sind, bewirkt, dass beim Aufbau eines magnetischen Feldes durch Bestromung der Spule der eine Permanentmagnet an den Kern herangezogen wird und gleichzeitig der andere Permanentmagnet vom Kern abgestoßen wird, da an den Stabenden des Kerns entgegengesetzte Magnetpole liegen. Wird der Stromfluss umgekehrt, so dass das elektrisch erzeugte Magnetfeld des Kerns umgepolt wird, wird. entsprechend der andere Permanentmagnet an den Kern herangezogen und der eine Permanentmagnet abgestoßen. Da die Permanentmagnete einen Teil des Ankers bilden, bzw. an diesem fixiert sind, wird der Anker in Gestalt des Rahmens oder des Schlittens durch die Anziehungs- und Abstoßungskräfte entsprechend bewegt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante können zwei ferromagnetische Kerne, auf denen jeweils eine Spule gewickelt ist, nebeneinanderliegen. Hierdurch kann die magnetische Stellkraft verdoppelt werden, wobei gleichzeitig die flache Bauform erhalten bleibt. Die zwei Permanentmagnete können in ihren Abmaßen so gewählt sein, dass sie sich stirnseitig vor beiden Kernen erstrecken. Alternativ kann der Elektrohubmagnet gemäß dieser Ausführungsvariante vier Permanentmagnete aufweisen, von denen jeweils zwei kolinear zur einem der ferromagnetischen Kerne angeordnet sind. Die beiden Spulen können elektrisch in Reihe geschaltet sein, so dass keine separate Ansteuerung der Spulen erforderlich ist. Der bewegliche Anker kann in diesem Falle beide Kerne zumindest teilweise außen umgreifen, wobei die beiden Elektromagnete den Anker gemeinsam bewegen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann der Anker unter einem Gehäusedeckel liegen, der zum Kern stationär, d. h. unbeweglich ist. Hierdurch wird verhindert, dass Gegenstände in den Hubmagneten eindringen und die Bewegung des Ankers behindern können. Um die Bewegung des Ankers außerhalb des Gehäuses nutzbar zu machen, kann an zumindest einer seiner Querseiten, vorzugsweise an beiden Querseiten, jeweils ein Stößel angeformt oder angebracht sein, der von der Außenseite der entsprechenden Querseite absteht und zur Übertragung der Längsbewegung auf ein weiteres mechanisches Mittel dient. An dem Gehäuse kann eine entsprechende Öffnung vorgesehen sein, die in Längserstreckungsrichtung des Stößels koaxial liegt, und durch die der Stößel nach außen herausragt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
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1: Querschnittsdarstellung eines bistabilen Elektrohubmagneten gemäß einer ersten Ausführungsvariante mit beweglichem Deckel als Anker
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2A bis 2H: verschiedene Ansichten der ersten Ausführungsvariante nach 1 mit einem ferromagnetischen Kern
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3A bis 3J: verschiedene Ansichten einer zweiten Ausführungsvariante eines bistabilen Elektrohubmagneten mit zwei ferromagnetischen Kernen und feststehendem Gehäuse
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4A bis 4J: verschiedene Ansichten einer dritten Ausführungsvariante eines bistabilen Elektrohubmagneten mit einem ferromagnetischen Kern in flacher Bauform
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1 zeigt einen bistabilen Elektrohubmagneten 1 mit einem ferromagnetischen Vollkern 2, der mit einer bestrombaren Spule 3 bewickelt ist. Der Elektrohubmagnet 1 weist ferner zwei Permanentmagnete 4, 5 mit jeweils einem Nordpol 4b, 5b und einem Südpol 4a, 5a auf, die kolinear zum Kern 2 angeordnet sind, wobei der Kern zwischen den beiden Permanentmagneten 4, 5 liegt. Die Südpole 4a, 5a sind jeweils zum Kern 2 gerichtet. Der Elektrohubmagnet 1 weist darüber hinaus einen beweglichen Anker 6 auf, der einen Deckel 6a für die Spule 3 aufweist, und in dem die Permanentmagnete 4, 5 befestigt sind. Die Befestigung erfolgt in Taschen 12, in die die Permanentmagnete 4, 5 jeweils eingeschoben sind. Der ferromagnetische Kern 2 ist stabförmig und besitzt einen runden Querschnitt. Er ist auf einer Bodenplatte 11 über Rastmittel 15 (siehe 2A) gehalten, die gleichzeitig als Führung für den Anker 6 dienen. An seinen beiden Stirnseiten liegt der Kern 2 jeweils an einem Dämpfungselement 10 an, wobei die Dämpfungselemente 10 einstückig mit dem Bodenteil 11 ausgebildet sind und Anschlage für den Anker 6 bilden.
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Der Anker 6 ist folglich in Form eines Schlittens ausgebildet, der das deckelförmiges Gehäuseteil 6a für den Elektromagneten 2, 3, Querseiten 8 und Längsseiten 9 umfasst. In dem axialen Längsschnitt durch den bistabilen Hubmagneten 1 gemäß 1 sind von dem Anker 6 lediglich die quer zur Kernlängsachse liegenden Querseiten 8 dargestellt, die in den Deckel 6a übergehen. Die Längsseiten 9 verlaufen parallel und stegförmig und verbinden die Querseiten 8 miteinander, siehe 2A und 2F. Die Taschen 12 sind in den Querseiten 8 ausgebildet, wobei die Taschen 12 durch eine äußere Wand, die die Querseiten 8 bilden, und eine innere, zum Kern 2 gerichtete Wand 13 begrenzt sind. Auf beiden Längsendseiten des Hubmagneten bildet die jeweilige innere Wand jeweils einen Anschlag für das ihr gegenüberliegende Dämpfungselement 10.
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Die Permanentmagnete 4, 5 sind kolinear zum Kern 2, d. h. in Bewegungsrichtung magnetisiert, wobei die beiden Südpole 4a, 5a jeweils zum Kern 2 gerichtet sind und die beiden Nordpole 4b, 5b auf der dem Kern 2 abgewandten Seite der Permanentmagnete 4, 5 liegen.
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Bei einer Bestromung der Spule 3 wird ein magnetisches Feld aufgebaut, das in dem ferromagnetischen Kern 2 geführt wird. Das elektromagnetische Feld besitzt an einer Stirnseite des Kerns 2 einen ersten Pol und an der gegenüberliegenden Seite einen entsprechenden Gegenpol, je nach Stromrichtung. Durch die unterschiedliche Polung des Magnetfelds des durch die Spule 3 und den Kern 2 gebildeten Elektromagneten 2, 3 und der Tatsache, dass gleichartige Pole der beiden Permanentmagnete 4, 5 zum Kern 2 gerichtet sind, kommt es an dem einen Permanentmagneten 4 durch die Interaktion der beiden magnetischen Felder zu einer Anziehung, wohingegen es bei dem gegenüberliegenden Permanentmagneten 5 zu einer Abstoßung kommt, so dass der Anker 6 entlang einer Bewegungsrichtung, die der Längsachse des stabförmigen Kerns 2 entspricht, d. h. längsverschieblich bewegt wird.
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Der erfindungsgemäße Elektrohubmagnet 1 gemäß 1 weist nur einen einzigen Elektromagneten 2, 3, einen als Stellmittel wirkenden Anker 6, zwei Permanentmagnete 4, 5, um den Anker in zwei mechanisch stabilen Endpositionen stromlos zu halten, und eine Bodenplatte 11 auf, die den Elektromagneten 2, 3 trägt. Diese Anordnung ist in den 2A bis 2H näher gezeigt.
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Das Schalten erfolgt über Anziehungskräfte zwischen unterschiedlichen und Abstoßungskräfte zwischen gleichartigen magnetischen Polen. Die Anordnung der Permanentmagnete 4, 5 selbst ist kolinear zu der Bewegungsachse des Ankers 6. Ebenso gerichtet sind auch die Polungen der Magnete 4, 5. So liegen die eingeleiteten Kräfte direkt in der Bewegungsachse und es tritt kein Moment beim Schaltvorgang auf. Die Spule 3 liegt in der Mitte der Stellvorrichtung 1 und der Anker 6 umgreift diese Spule 3. Hierdurch kann eine extreme flache und platzsparende Konstruktion der Stellvorrichtung 1, d. h. des Elektrohubmagneten 1 erreicht werden.
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Der Umschaltvorgang benötigt nur eine geringe Energiemenge, da hier kein anderes Magnetfeld überlagert werden muss. Durch Anlegen schon eines geringen Stroms an die Spule 2 und dem damit verbundenen Aufbau eines Magnetfeldes in der Spule 2 wird ein Permanentmagnet 4 abgestoßen und im gleichen Augenblick der gegenüberliegende Permanentmagnet 5 angezogen. Dabei verschiebt der Elektromagnet 2, 3 den Anker 6 axial zur Spule 3. Der Anker 6 umschließt die beiden Magnetenden, wodurch der Hub auf etwa 10 mm begrenzt wird und definierte Endanschläge bzw. -positionen gegeben sind. Je nach Polung des Stroms in der Spule 3 kann der Anker 6 damit wahlweise in eine der beiden Endpositionen bewegt werden. Der Anker 6 selbst besteht aus Kunststoff, d. h. aus keinem magnetischen Material. Damit dieser bewegt werden kann, sind in den Enden axial vor bzw. an den Enden des Elektromagneten 2, 3 die Permanentmagneten 4, 5 angebracht. Sie zeigen mit gleichgesinnten Polungen zueinander. So kann der Elektromagnet 2, 3 sie abstoßen bzw. anziehen. Die Permanentmagnete 4, 5 fixieren durch ihre Anziehungskraft den Anker in den beiden Endpositionen.
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Wie bereits erwähnt, stellt in der Ausführungsvariante gemäß 1 der Anker 6 gleichzeitig ein deckelförmiges Gehäuseteil 6a für den Elektrohubmagneten dar, so dass ein zusätzliches Bauteil eingespart werden kann. Darüber hinaus kann der Deckel 6a selbst als Aufnahme für weitere Elemente dienen, beispielsweise integrierte elektrische Leitungen und/oder Schaltflächen, die durch die Bewegung des Ankers 6 betätigt werden. In 2A und 2F ist zudem erkennbar, dass der Anker 6 zusätzlich zu den Querseiten 8 zwei parallele Längsseiten 9 besitzt, die die Enden der Querseiten 8 jeweils miteinander verbinden. Der Deckel 6a schließt den durch die Querseiten 8 und die Längsseiten 9 gebildeten Rahmen ab, so dass der Elektromagnet 2, 3 vollständig von dem Anker 6 umgriffen wird. Die Bauhöhe beträgt in etwa maximal 12 mm.
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Zur Dämpfung der Anschlaggeräusche und zur Verschleißreduzierung beim Schaltvorgang ist der Anker 6 bzw. die Halterung des Elektromagneten 2, 3 selbst geeignet. Hierzu dienen die Wände 13 an den Querseiten 8 des Ankers 6 sowie die Dämpfungselemente 10, zwischen denen der Kern 2 kraftschlüssig gehalten ist. Der Kraftfluss ist immer axial zu Spule 3 ausgerichtet. Durch diese Konstruktion stoßen keine Magnete bzw. Metallteile aufeinander. Es wird deutlich, dass der Elektrohubmagnet eine längliche, kompakte Bauform besitzt.
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3A bis 3J zeigen eine zweite Ausführungsvariante eines bistabilen Elektrohubmagneten 1 gemäß der Erfindung in verschiedenen Ansichten. Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, dass sie zwei stabförmige ferromagnetischen Kerne 2 mit entsprechender Spulenbewicklung 3 besitzt, die parallel nebeneinander angeordnet sind (siehe 3A, 3F und 3I), und dass der der bewegte Anker 7 in Gestalt eines Schlittens 8, 9 ausgebildet ist, der unter einem feststehenden Gehäusedeckel 16 hin- und her bewegbar ist. Die zwei Kerne dienen der Verstärkung der mechanischen Stellkraft.
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3A zeigt den Elektrohubmagneten 1 in einer Schnittansicht durch eine horizontale Ebene entlang der Schnittlinie C-C in 3D bei abmontiertem Deckel 16. 3B zeigt den Elektrohubmagneten 1 in einer Schnittansicht durch eine vertikale Ebene entlang der Schnittlinie D-D in 3C bei abmontiertem Deckel 16. 3C zeigt den Elektrohubmagneten 1 in einer Ansicht von unten auf die Bodenplatte 11. 3D zeigt den Elektrohubmagneten 1 in einer Seitenansicht bei abmontiertem Deckel 16. 3E zeigt den Elektrohubmagneten 1 ohne Deckel 16 in perspektivischer Ansicht von unten. 3F zeigt den Elektrohubmagneten 1 ohne Deckel 16 in perspektivischer Ansicht von oben. 3G zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A von 3C bei abgenommenem Deckel. 3H zeigt den Elektrohubmagneten 1 ohne Deckel 16 mit Blick auf die Stirnseite. 3I zeigt den Elektrohubmagneten 1 ohne Deckel 16 von oben und 3J zeigt den Elektrohubmagneten 1 mit Deckel 16 in perspektivischer Ansicht von oben.
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Wie die 3A bis 3J zeigen, ist der in 3J dargestellte Deckel 16 abnehmbar. Er wird über Rastelemente 17 am Bodenteil 11 gehalten, deren Rastnasen in korrespondierende Öffnungen im Deckel 16 greifen (siehe 3J). Die beiden Elektromagnete 2, 3 werden ebenfalls über Rastelemente 15 auf der Bodenplatte 11 gehalten. Zusätzlich bilden die Rastelemente 15 mit ihren Außenflächen Führungen für den Anker 7, der hier lediglich durch einen Rahmen 7 bestehend aus parallelen, stegförmigen Längsseiten 9 und Querseiten 8 gebildet ist, die zwischen den Enden der Längsseiten 9 angeordnet sind. Der Rahmen 7 umschließt die beiden Elektromagnete 2, 3. Die an den Querseiten 8 angeordneten Permanentmagnete 4, 5 werden von hakenförmigen Haltemitteln 8a umgriffen.
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Des Weiteren unterscheidet sich die zweite Ausführungsvariante von der ersten Ausführungsvariante darin, dass von den Querseiten 8 jeweils ein Stößel 14 absteht, der hier im Querschnitt kreiszylindrisch ist. Diese beiden Stößel 14 sind durch entsprechende Öffnungen im Deckel 16 hindurchgeführt und bilden Stellmittel, die relativ zum Gehäuse 16 des Elektrohubmagneten 2, 3 beweglich sind. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante weist nur eine der Querseiten 8 einen solchen Stößel auf.
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4A bis 4J zeigen eine dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Elektrohubmagneten 1 in einer äußerst flachen Bauform. Der ferromagnetische Kern 2 besitzt hier einen rechteckigen Querschnitt, auf den die bestrombare Spule 3 in Gestalt einer Flachspule gewickelt ist. Der längsverschiebliche Anker 7 wird auch hier wieder durch einen Rahmen 7 gebildet. Der Rahmen 7 besteht aus den gegenüberliegenden Querseiten 8 und den diese Querseiten verbindenden parallelen Längsseiten 9. Wie bei der zweiten Ausführungsvariante in den 3A bis 3J ist der Anker 7 so geformt, dass die Verbindung der beiden Ankerenden, d. h. der Querseiten 8, nicht mehr über die Spule 3 geführt ist, wie dies bei dem Deckel 6a gemäß der ersten Ausführungsvariante der Fall ist, sondern seitlich an der Spule 3 vorbeiläuft. So ist der maximale Bauraum auf die Spule 3 plus Aufhängung, d. h. zuzüglich der Dicke von Boden 11 und etwaigem Gehäuse 16 reduziert.
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Die Längsseiten 9 gehen einstückig in die Querseiten 8 über, wobei beiderseits an den jeweiligen Innenflächen quer zu ihrer Längserstreckung Nuten 8b vorgesehen sind (siehe 4F), in denen die Permanentmagnete 4, 5 formschlüssig einliegen. Die Permanentmagnete 4, 5 besitzen wie der Kern 2 einen rechteckigen Querschnitt und eine quaderförmige äußere Form.
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Nachfolgend wird noch einmal das Funktionsprinzip dargestellt, dass alle Varianten gemeinsam haben:
In einer Endlage ist der Elektromagnet 2, 3 nicht bestromt und die Permanentmagnete 4, 5 üben durch ihr Magnetfeld eine Anziehungskraft auf den ferromagnetischen Kern 2 der Spule 3 aus. Dabei ist jedoch die Kraft eines Permanentmagneten 4, 5 auf der Seite des Ankers 6, 7, die sich aktuell im Anschlag befindet, deutlich größer als die des entsprechenden Permanentmagneten 4, 5 auf der anderen Seite, aufgrund des geringeren Abstandes und des quasi nicht vorhandenen Luftspaltes. Damit ist der Anker 6, 7 in dieser Position fixiert. Zum Umschalten wird ein Strom durch die Spule 3 geleitet, so dass sich ein Magnetfeld ausbildet, welches dem aktuell haltenden Permanentmagneten 4, 5 entgegen gerichtet ist und so stark ist, das auch der Spulenkern 2 entsprechend ummagnetisiert wird. Dadurch wird der aktuell im Anschlag befindliche Permanentmagnet 4, 5 abgestoßen und der gegenüberliegende Permanentmagneten 4, 5, dessen Polung entgegengesetzt orientiert ist, angezogen. Dadurch bewegt sich der Anker 6, 7 axial zu Spule 3, bis die andere Seite des Ankers 6, 7 mit dem Permanentmagneten 4, 5 am Anschlag ist. Wird nun die Spule 3 wieder abgeschaltet, wird auch diese Endlage wie zuvor die Gegenüberliegende durch die Anziehungskraft des Permanentmagneten 4, 5 fixiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10310448 A1 [0003]
- DE 10207828 A1 [0004]
- DE 19712293 A1 [0005]
