DE102012204322B4

DE102012204322B4 - Bidirectional electromagnetic actuator

Info

Publication number: DE102012204322B4
Application number: DE102012204322.5A
Authority: DE
Inventors: Florian Weinl; Michael Linder
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: DE102012204322A1

Abstract

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer eine Mittenlängsachse (2) aufweisenden und einen Spuleninnenraum (4) umgebenden elektrischen Spule (5; 32) sowie mit einem längs der Mittenlängsachse (2) und zumindest teilweise in dem Spuleninnenraum (4) angeordneten Stellglied (3), wobei• das Stellglied (3) eine Stellstange (7) und einen an der Stellstange (7) angebrachten geteilten Anker (6) mit einem ersten und einem zweiten Ankerteil (16, 17) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass• die beiden Ankerteile (16, 17) axial durch eine Ankerlücke (18) voneinander beabstandet sind,• im Bereich der Ankerlücke (18) ein hohlzylindrisches den Anker (6) umgebendes Joch (19) ortsfest im Spuleninnenraum (4) angeordnet ist,• das Stellglied (3) längs zwischen einer ersten und einer zweiten stabilen axialen Endposition hin und her beweglich und mittels Strombeaufschlagung der Spule (5; 32) von der ersten Endposition in die zweite Endposition und umgekehrt überführbar ist, wobei in jeder Endposition eines der beiden Ankerteile (16, 17) eine kleinere axiale Überlappung (20, 21) mit dem Joch (19) aufweist als das andere der beiden Ankerteile (16,17), und• an dem Stellglied (3) mindestens ein bistabiles Halteelement (28) so ausgeführt ist, dass eine Haltekraft des Halteelements (28) das Stellglied (3) in jeder der beiden Endpositionen zurückhält.• wobei das Haltelement (28) als Feder ausgeführt ist, welche an dem Stellglied (3) so angebracht ist, dass deren Federkraft als Haltekraft das Stellglied (3) in jeder der beiden Endpositionen zurückhält.Electromagnetic actuating device with an electric coil (5; 32) having a central longitudinal axis (2) and surrounding a coil interior (4) and with an actuator (3) arranged along the central longitudinal axis (2) and at least partially in the coil interior (4), wherein• the actuator (3) comprises an actuating rod (7) and a split armature (6) attached to the actuating rod (7) with a first and a second armature part (16, 17), characterized in that• the two armature parts (16, 17 ) are spaced apart axially by an armature gap (18),• in the area of the armature gap (18), a hollow-cylindrical yoke (19) surrounding the armature (6) is stationarily arranged in the coil interior (4),• the actuator (3) longitudinally between a first and a second stable axial end position can be moved back and forth and can be transferred from the first end position to the second end position and vice versa by applying current to the coil (5; 32), with one in each end position of the two anchor parts (16, 17) has a smaller axial overlap (20, 21) with the yoke (19) than the other of the two anchor parts (16, 17), and• on the actuator (3) at least one bistable holding element (28 ) is designed such that a holding force of the holding element (28) holds the actuator (3) back in each of the two end positions.• wherein the holding element (28) is designed as a spring which is attached to the actuator (3) in such a way that its Spring force as a holding force holds the actuator (3) back in each of the two end positions.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer eine Mittenlängsachse aufweisenden und einen Spuleninnenraum umgebenden elektrischen Spule sowie mit einem längs der Mittenlängsachse und zumindest teilweise in dem Spuleninnenraum angeordneten Stellglied.The invention relates to an electromagnetic actuating device with an electric coil having a central longitudinal axis and surrounding a coil interior, and with an actuator arranged along the central longitudinal axis and at least partially in the coil interior.

Bei einer derartigen elektromagnetischen Stellvorrichtung kann es sich um einen Aktor handeln. Andere in der Regelungstechnik übliche Bezeichnungen für einen Aktor sind Aktuator, Stellmotor und/oder Hubmagnet. Ein solches Bauteil dient zum Beispiel zum Antrieb oder zum Verstellen von Ventilen oder Klappen zur Durchflussregelung von gasförmigen oder flüssigen Medien. Ein mögliches Einsatzfeld ist hierbei die Kfz-Technik.Such an electromagnetic actuating device can be an actuator. Other common terms for an actuator in control engineering are actuator, servomotor and/or lifting magnet. Such a component is used, for example, to drive or to adjust valves or flaps for flow control of gaseous or liquid media. One possible field of application here is automotive technology.

In der gattungsgemäßen DE 10 2008 000 534 A1 wird eine bidirektionale elektromagnetische Stellvorrichtung beschrieben. Diese Vorrichtung enthält zwei getrennte Spulen sowie einen zusätzlichen Permanentmagneten, der an dem längsbeweglichen Stellglied angebracht ist und in einem Zwischenraum zwischen den beiden Spulen hin und her bewegt werden kann. Die Stellvorrichtung hat aufgrund des Zusammenwirkens der beiden elektrischen Spulen mit dem Permanentmagneten insgesamt drei stabile Positionen. Sie ist also tristabil. Allerdings bedingt die bidirektionale und tristabile Funktionalität einen relativ aufwendigen Aufbau dieser Stellvorrichtung. So ist eine aufeinander abgestimmte Ansteuerung der beiden Spulen erforderlich. Außerdem ist es oftmals erforderlich, Permanentmagnete aufgrund ihres spröden Materialverhaltens und der damit einhergehenden Stoßempfindlichkeit zu kapseln, insbesondere, wenn der Permanentmagnet, wie bei der Stellvorrichtung gemäß der DE 10 2008 000 534 A1 vorgesehen, bewegt wird und an anderen Komponenten anstößt. Eine Kapselung des Permanentmagneten ist mit zum Teil erheblichem Aufwand verbunden. Außerdem sind auch die Permanentmagnete an sich aufgrund der steigenden Preise für die magnetischen Ausgangsmaterialien mit durchaus beträchtlichen Herstellungskosten verbunden. JP S58-60 749 U zeigt einen Aktuator in einer Vorrichtung zum automatischen Schließen und Entriegeln einer Tür durch einen Schalter. JP S58- 168107 U offenbart eine Stellvorrichtung mit einer bidirektionalen Antriebsspule. Aus JP S57-198 611 A geht eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einer Verschlussfunktion hervor.In the generic DE 10 2008 000 534 A1 describes a bidirectional electromagnetic actuator. This device contains two separate coils and an additional permanent magnet which is attached to the longitudinally movable actuator and can be moved back and forth in a space between the two coils. Due to the interaction of the two electrical coils with the permanent magnet, the actuating device has a total of three stable positions. So it is tristable. However, the bidirectional and tristable functionality requires a relatively complex structure for this actuating device. A coordinated control of the two coils is required. In addition, it is often necessary to encapsulate permanent magnets due to their brittle material behavior and the associated sensitivity to shock, especially if the permanent magnet, as in the actuating device according to DE 10 2008 000 534 A1 provided, is moved and collides with other components. An encapsulation of the permanent magnet is sometimes associated with considerable effort. In addition, the permanent magnets themselves are associated with quite considerable production costs due to the rising prices for the magnetic starting materials. JP S58-60 749 U shows an actuator in a device for automatically locking and unlocking a door by a switch. JP S58-168107 U discloses an actuator with a bidirectional drive coil. Out of JP S57-198 611 A an electromagnetic actuator with a locking function emerges.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Stellvorrichtung der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die bidirektional wirkt und sich einfach realisieren lässt.The object of the invention is therefore to specify an actuating device of the type described at the outset, which acts bidirectionally and can be easily implemented.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine elektromagnetische Stellvorrichtung entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Bei dieser Stellvorrichtung handelt es sich um eine solche, bei der das Stellglied eine Stellstange und einen an der Stellstange angebrachten geteilten, insbesondere zweigeteilten, Anker mit einem ersten und einem zweiten Ankerteil umfasst, wobei die beiden Ankerteile axial durch eine Ankerlücke voneinander beabstandet sind, im Bereich der Ankerlücke ein hohlzylindrisches den Anker umgebendes Joch ortsfest und insbesondere konzentrisch zur Mittenlängsachse im Spuleninnenraum angeordnet ist, das Stellglied längs zwischen einer ersten und einer zweiten stabilen axialen Endposition hin und her beweglich und mittels, insbesondere sukzessiver und vorzugsweise pulsförmiger, Strombeaufschlagung der Spule von der ersten Endposition in die zweite Endposition und umgekehrt überführbar ist, wobei in jeder Endposition eines der beiden Ankerteile eine kleinere axiale Überlappung mit dem Joch aufweist als das andere der beiden Ankerteile. An dem Stellglied ist mindestens ein bistabiles Halteelement so ausgeführt, dass eine Haltekraft des Halteelements das Stellglied in jeder der beiden Endpositionen zurückhält, insbesondere solange die Spule stromfrei ist. Dabei fluchten die beiden Ankerteile bevorzugt zueinander in axialer Richtung.To solve this problem, an electromagnetic actuator according to the features of claim 1 is specified. This actuating device is one in which the actuating element comprises an actuating rod and a split, in particular two-part, armature attached to the actuating rod and having a first and a second armature part, the two armature parts being spaced apart axially by an armature gap, in area of the armature gap, a hollow-cylindrical yoke surrounding the armature is arranged in a stationary manner and in particular concentrically to the central longitudinal axis in the interior of the coil, the actuator can be moved back and forth lengthwise between a first and a second stable axial end position and by means of, in particular successive and preferably pulsed, current application to the coil from the first end position can be converted into the second end position and vice versa, wherein in each end position one of the two anchor parts has a smaller axial overlap with the yoke than the other of the two anchor parts. At least one bistable holding element is designed on the actuator in such a way that a holding force of the holding element holds the actuator back in each of the two end positions, in particular as long as the coil is de-energized. The two anchor parts are preferably aligned with one another in the axial direction.

Das Stellglied der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung wirkt in beide axialen Richtungen, wobei „axial“ hier eine Orientierung längs oder in Richtung der Mittenlängsachse bedeutet. Dementsprechend bedeutet „radial“ eine zur Mittenlängsachse senkrechte Orientierung und „tangential“ eine Orientierung in Umfangsrichtung bezogen auf die Mittenlängsachse. Das Stellglied kann aufgrund seiner Längsbeweglichkeit auch Stellvorgänge in beide axialen Richtungen, also bidirektional, durchführen. Vorteilhafterweise ist für diese bidirektionale Funktionalität insbesondere nur eine einzige elektrische Spule erforderlich. Die Richtungsumkehr wird durch das Zusammenwirken des im Spuleninnenraum angeordneten hochzylindrischen Jochs mit dem zweigeteilten Anker im Bereich der Ankerlücke erreicht.The actuator of the actuating device according to the invention acts in both axial directions, with “axial” here meaning an orientation along or in the direction of the central longitudinal axis. Accordingly, "radial" means an orientation perpendicular to the central longitudinal axis and "tangential" means an orientation in the circumferential direction in relation to the central longitudinal axis. Due to its longitudinal mobility, the actuator can also perform adjustment processes in both axial directions, ie bidirectionally. In particular, only a single electrical coil is advantageously required for this bidirectional functionality. The reversal of direction is achieved through the interaction of the high-cylindrical yoke arranged in the coil interior with the two-part armature in the area of the armature gap.

Zur Sicherung des Stellglieds in den beiden axialen Endpositionen ist erfindungsgemäß als Halteelement eine kostengünstige Feder vorgesehen, die so mit dem Stellglied wechselwirkt, dass eine Rückhalte- oder Arretierungsfunktion in jeder der beiden Endpositionen des Stellglieds gegeben ist. Die Feder bildet somit ein bistabiles Halteelement. Die Feder ist folglich so an dem Stellglied angebracht, dass deren Federkraft das Stellglied in jeder der beiden Endpositionen zurückhält.To secure the actuator in the two axial end positions, an inexpensive spring is provided as a holding element according to the invention, which interacts with the actuator in such a way that a retaining or locking function is provided in each of the two end positions of the actuator. The spring thus forms a bistable holding element. The spring is consequently attached to the actuator in such a way that its spring force restrains the actuator in each of the two end positions.

Die Feder ist insbesondere als Schnappfeder ausgeführt. Eine Schnappfeder ist bistabil und verfügt demnach über zwei stabile Zustände. Eine Schnappfeder verformt sich bei äußerer Krafteinwirkung ausgehend von dem ersten stabilen Zustand unter Aufbringung einer gegen die Verformung bzw. äußere Krafteinwirkung gerichteten Federkraft bis hin zu einem Umschlagpunkt. Ab diesem Umschlagpunkt kehrt sich die Wirkungsrichtung der Federkraft schlagartig um und wirkt damit in die gleiche Richtung, wie die äußere Krafteinwirkung, bis der zweite stabile Zustand erreicht ist. Derartige Schnappfedern werden beispielsweise in elektrischen Sprung- oder Schnappschaltern eingesetzt. Eine Schnappfeder ist bevorzugt so an der Stellvorrichtung angeordnet, dass der Umschlagpunkt erreicht ist, wenn sich das Stellglied im Bereich einer Mittenposition zwischen der ersten und zweiten stabilen Endposition befindet.The spring is designed in particular as a snap spring. A snap spring is bistable and ver thus has two stable states. A snap-action spring deforms under the action of an external force, starting from the first stable state with the application of a spring force directed against the deformation or the action of an external force, up to a point of transition. From this turning point, the direction of action of the spring force is suddenly reversed and thus acts in the same direction as the external force until the second stable state is reached. Such snap-action springs are used, for example, in electrical snap-action or snap-action switches. A snap spring is preferably arranged on the actuating device in such a way that the transition point is reached when the actuating element is in the region of a middle position between the first and second stable end position.

Statt als Feder kann das Halteelement jedoch beliebig anders geeignet ausgeführt sein, um das Stellglied in jeder der beiden Endpositionen zurückzuhalten. Das Haltelement kann daher insbesondere als Arretierung ausgeführt sein, welche das Stellglied in den Endpositionen solange arretiert, bis die durch die Strombeaufschlagung der Spule ausgeübte Stellkraft auf das Stellglied die von der Arretierung ausgeübte Haltekraft übersteigt. Derartige Arretierungen können über zumindest einen Körper (beispielsweise eine Kugel, Rolle oder einen Stift) verfügen, der federbelastet in eine Nut eingreift und hierdurch eine von der Federbelastung abhängige Haltekraft auf das Stellglied erzeugt. Eine solche Arretierung ist dem Fachmann auch als Kugelarretierung bekannt, wobei in diesem Fall als Körper eine Kugel genutzt wird. Statt einer Kugel kann auch jede andere geeignete Form des Körpers genutzt werden, beispielsweise eine Rolle oder ein Stift. Derartige Arretierungen sind einfach und kostengünstig. Die Arretierung kann auch mit der obig genannten Feder in Kombination eingesetzt werden.However, instead of being a spring, the holding element can be designed in any other suitable manner in order to hold back the actuator in each of the two end positions. The holding element can therefore be designed in particular as a locking device, which locks the actuator in the end positions until the actuating force exerted on the actuator by the current applied to the coil exceeds the holding force exerted by the locking device. Such detents can have at least one body (for example a ball, roller or pin) which engages in a groove under spring loading and thereby generates a holding force on the actuator which is dependent on the spring loading. Such a lock is also known to those skilled in the art as a ball lock, in which case a ball is used as the body. Instead of a sphere, any other suitable shape of the body can also be used, for example a roller or a pin. Such locks are simple and inexpensive. The detent can also be used in combination with the above spring.

Das Stellglied erreicht bei Verwendung einer Arretierung als Haltelement die jeweils andere Endposition bevorzugt dadurch, dass die Bestromung der Spule nach Überwindung der Haltekraft der Arretierung und während der Stellbewegung des Stellglieds in Richtung der jeweils anderen Endposition zurückgenommen wird. Hierdurch gelangt das Stellglied in die jeweils andere Endposition durch den während der anfänglichen Stellbewegung gesammelten Schwung (träge Masse des Stellglieds).When using a detent as a holding element, the actuator preferably reaches the other end position in that the energization of the coil is withdrawn after overcoming the holding force of the detent and during the actuating movement of the actuator in the direction of the other end position. This causes the actuator to reach the other end position due to the momentum (inertial mass of the actuator) accumulated during the initial actuating movement.

Insgesamt lässt sich die erfindungsgemäße Stellvorrichtung trotz der bidirektionalen und zumindest bistabilen Funktionalität mit vergleichsweise geringem Aufwand realisieren. Verglichen mit den bisher bekannten Lösungen wird nur eine einzige Spule benötigt, wodurch sich auch die Ansteuerung derselben vereinfacht. Außerdem kann anstelle des kostenträchtigen Permanentmagneten eine erheblich günstigere Feder oder Arretierung als Halteelement zur Sicherung der beiden Endpositionen zum Einsatz.Overall, the actuating device according to the invention can be implemented with comparatively little effort, despite the bidirectional and at least bistable functionality. Compared to the previously known solutions, only a single coil is required, which also simplifies the control of the same. In addition, instead of the costly permanent magnet, a considerably cheaper spring or locking device can be used as a holding element to secure the two end positions.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Stellvorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.Advantageous configurations of the adjusting device result from the features of the claims dependent on claim 1 .

Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der das Joch eine größere axiale Ausdehnung hat als die Ankerlücke. Dadurch wird sichergestellt, dass die bereits angesprochene Richtungsumkehr erfolgt, wenn sich das Stellglied in den Endpositionen befindet.An embodiment in which the yoke has a greater axial extent than the gap in the armature is favorable. This ensures that the reversal of direction already mentioned takes place when the actuator is in the end positions.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist für jede der beiden Endpositionen jeweils ein Endanschlag vorgesehen. Das bei Erreichen der Endposition an einem der beiden Endanschläge anschlagende Ankerteil ist dann dasjenige mit der geringeren Jochüberlappung. Dann führt der sich bei einer erneuten Strombeaufschlagung der Spule im Anker und im Joch einstellende magnetische Fluss dazu, dass sich das Stellglied aus der gerade eingenommenen Endposition weg in Richtung der anderen Endposition bewegt.According to a further advantageous embodiment, an end stop is provided for each of the two end positions. The anchor part that strikes one of the two end stops when the end position is reached is then the one with the smaller yoke overlap. Then, when current is applied to the coil again in the armature and in the yoke, the magnetic flux that occurs causes the actuator to move away from the end position it has just assumed in the direction of the other end position.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist mindestens ein weiteres hohlzylindrisches den Anker umgebendes Joch ortsfest im Spuleninnenraum angeordnet. Dadurch lassen sich weitere, ebenfalls insbesondere stabile Zwischenpositionen für das Stellglied realisieren. Die Stellvorrichtung ist dann ein Mehrstellungsaktuator.According to a further advantageous embodiment, at least one further hollow-cylindrical yoke surrounding the armature is stationarily arranged in the interior of the coil. As a result, further intermediate positions, which are also particularly stable, can be realized for the actuator. The adjusting device is then a multi-position actuator.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Feder eine, eine Federlängsachse aufweisende, Schraubenfeder, die in einem zusammengedrückten, insbesondere überdrückten, Zustand eingespannt ist und mit senkrecht zur Mittenlängsachse orientierter Federlängsachse an dem Stellglied angebracht ist. Durch diese einfache Maßnahme, die Feder mechanisch einzuspannen und am Stellglied zu befestigen, wird die gewünschte bistabile Haltefunktion sehr gut erreicht. Die Schraubenfeder ist insbesondere dann am stärksten zusammengedrückt, wenn sich das Stellglied im Bereich der axialen Mitte zwischen den beiden axialen Endpositionen befindet. Demgegenüber liegt eine niedrigere Federspannung vor, wenn das Stellglied in einer der beiden Endpositionen ist. Die Entspannung der Feder erfolgt in Verbindung mit einer Auslenkung in Richtung der Mittenlängsachse, also senkrecht zur Federlängsachse. Hierbei kann die axiale Auslenkung vorteilhafterweise in beide Richtungen erfolgen. Eine Bewegung des Stellglieds aus den beiden Endpositionen heraus erfolgt stets gegen die Federkraft, sodass das Stellglied ohne Eingriff von au-ßen, also insbesondere ohne eine Strombeaufschlagung der Spule, durch die Federkraft in der jeweiligen Endposition gehalten wird.According to a further advantageous embodiment, the spring is a helical spring having a spring longitudinal axis, which is clamped in a compressed, in particular overcompressed, state and is attached to the actuator with the spring longitudinal axis oriented perpendicularly to the central longitudinal axis. This simple measure of clamping the spring mechanically and attaching it to the actuator achieves the desired bistable holding function very well. In particular, the coil spring is most compressed when the actuator is in the region of the axial center between the two axial end positions. On the other hand, there is less spring tension when the actuator is in one of the two end positions. The relaxation of the spring occurs in connection with a deflection in the direction of the central longitudinal axis, ie perpendicular to the longitudinal axis of the spring. In this case, the axial deflection can advantageously take place in both directions. The actuator is always moved out of the two end positions against the spring force, so that the actuator is held in the respective end position by the spring force without external intervention, ie in particular without current being applied to the coil.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung kehrt sich die Wirkungsrichtung der Federkraft bei einem Wechsel des Stellglieds von der einen in die andere Endposition um. Dadurch wird die Haltefunktion der Feder in beiden Endpositionen sichergestellt. Die Bistabilität der Stellvorrichtung lässt sich also vorteilhafterweise mit nur einem einzigen Federelement erreichen.According to a further advantageous embodiment, the direction of action of the spring force is reversed when the actuator changes from one end position to the other. This ensures that the spring retains its function in both end positions. The bistability of the adjusting device can thus advantageously be achieved with only a single spring element.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist das Stellglied mittels einer Dauerstrombeaufschlagung der Spule in eine mittig zwischen den beiden Endpositionen liegende stabile axiale Mittenposition überführbar, wobei die beiden Ankerteile in der Mittenposition jeweils eine gleichgroße axiale Überlappung mit dem Joch aufweisen. In dieser Ausgestaltung ist die Stellvorrichtung tristabil, wobei die Haltefunktion in der Mittenposition nicht durch die Federkraft, sondern durch eine Magnetkraft der mit einem Dauerstrom beaufschlagten Spule bewirkt wird. Diese magnetische Haltewirkung stellt sich insbesondere dann ein, wenn sich die Ankerlücke im Wesentlichen mittig innerhalb des Jochs befindet und eine in etwa gleichgroße Überlappung des Jochs mit beiden Ankerteilen gegeben ist. Dann liegen auch in etwa gleichgroße magnetische Widerstände zwischen dem Joch einerseits und den beiden Ankerteilen andererseits vor, wodurch ein stabiler Zustand erreicht ist.According to a further advantageous embodiment, the actuator can be transferred to a stable axial middle position lying in the middle between the two end positions by applying a continuous current to the coil, the two armature parts each having an equal axial overlap with the yoke in the middle position. In this embodiment, the actuating device is tristable, with the holding function in the central position not being effected by the spring force but by a magnetic force of the coil to which a continuous current is applied. This magnetic holding effect occurs in particular when the armature gap is located essentially in the center within the yoke and the yoke overlaps the two armature parts by approximately the same amount. Then there are approximately the same magnetic resistances between the yoke on the one hand and the two armature parts on the other hand, as a result of which a stable state is achieved.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Feder eine, eine Federlängsachse aufweisende, Schraubenfeder, die in Richtung der Federlängsachse gesehen eine Federmitte hat und die außerhalb der Federmitte an dem Stellglied angebracht ist. Die außermittige Anbringung oder Befestigung der Feder am Stellglied ermöglicht insbesondere nach einem Betriebszustand, in dem das Stellglied durch eine Dauerstrombeaufschlagung der Spule in der Mittenposition gehalten worden ist, nach dem Ende des Stromflusses in der Spule einen selbsttätigen Übergang in eine der beiden Endpositionen. Dieser Übergang erfolgt bevorzugt ohne zusätzlichen Eingriff von außen, wenn die Feder asymmetrisch oder außermittig am Stellglied angebracht ist.According to a further favorable embodiment, the spring is a helical spring having a spring longitudinal axis, which has a spring center as seen in the direction of the spring longitudinal axis and which is attached to the actuator outside of the spring center. The off-centre attachment or fastening of the spring on the actuator enables an automatic transition to one of the two end positions after the end of the current flow in the coil, particularly after an operating state in which the actuator has been held in the central position by continuous current application to the coil. This transition preferably occurs without additional outside intervention when the spring is asymmetrically or off-center mounted on the actuator.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Spule in mindestens zwei räumlich voneinander getrennte, axial hintereinander angeordnete und elektrisch in Reihe geschaltete Teilspulen aufgeteilt. Weiterhin sind zwischen zwei benachbarten Teilspulen jeweils eine axiale Trennungszone sowie ein elektrischer Mittenabgriff vorgesehen, wobei über den Mittenabgriff ein zur Bestimmung einer axialen Position des Ankers vorgesehener Sensorstrom in eine Untermenge der Teilspulen einspeisbar ist. Dadurch, dass die Spule in zwei oder mehrere Teilspulen aufgeteilt ist, ergibt sich die Möglichkeit zur Erfassung der Position des Ankers und damit des Stellglieds. Für diese zusätzliche Funktionalität ist vorteilhafterweise kein zusätzliches Bauteil erforderlich. Die Positionserfassung erfolgt im Wesentlichen über eine geeignete Strombeaufschlagung der Teilspulen sowie über eine Erfassung und Auswertung der daraus resultierenden Potentialverläufe an den elektrischen Spulenanschlüssen. Trotz der mehrteiligen, vorzugsweise zwei- oder dreiteiligen, Ausgestaltung der Spule handelt es sich insbesondere immer noch um ein einziges Gesamtbauteil, dessen Teilspulen bevorzugt in einem einzigen Wicklungsvorgang hergestellt sind. Das Bauvolumen der Stellvorrichtung ist nach wie vor sehr kompakt. Es erhöht sich aufgrund der zusätzlich vorgesehenen Möglichkeit zur Positionserfassung nicht oder zumindest nicht wesentlich.According to a further advantageous embodiment, the coil is divided into at least two partial coils which are spatially separate from one another, are arranged axially one behind the other and are electrically connected in series. Furthermore, an axial separation zone and an electrical center tap are provided between two adjacent partial coils, it being possible to feed a sensor current provided for determining an axial position of the armature into a subset of the partial coils via the center tap. Because the coil is divided into two or more sub-coils, there is the possibility of detecting the position of the armature and thus of the actuator. Advantageously, no additional component is required for this additional functionality. The position is essentially detected by applying a suitable current to the partial coils and by detecting and evaluating the resulting potential curves at the electrical coil connections. Despite the multi-part, preferably two- or three-part design of the coil, it is still in particular a single overall component whose partial coils are preferably produced in a single winding process. The structural volume of the actuating device is still very compact. It does not increase, or at least not significantly, due to the additionally provided option for position detection.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung liegt eine axiale Stirnfläche zumindest eines der beiden Ankerteile, wenn sich das Stellglied in einer der beiden Endpositionen befindet, innerhalb eines axialen Bereichs, der durch die axiale Trennungszone bestimmt ist. Damit lässt sich für die Positionserfassung des Stellglieds ein Messsignal mit einem besonders hohen und gut auswertbaren Informationsgehalt erzeugen. Die Positionsbestimmung kann dann sehr genau durchgeführt werden. Insbesondere kann die Spule in drei Teilspulen aufgeteilt sein, wobei die dann gebildeten beiden Trennungszonen vorzugsweise axial jeweils so platziert sind, dass die oben genannte Bedingung erfüllt ist. Die axiale Position jeder der beiden Trennungszonen stimmt mit der axialen Position einer axialen Stirnfläche eines der beiden Ankerteile überein, wenn sich das Stellglied in den beiden Endpositionen befindet. Die Trennungszonen in der Spule sind also im Wesentlichen an den gleichen axialen Stellen angeordnet, an denen sich im Spuleninnenraum die Materialsprünge bzw. - änderungen mit dem größten Einfluss auf die magnetischen Verhältnisse, nämlich die Übergänge vom insbesondere ferromagnetischen Material der beiden Ankerteile auf die in der Ankerlücke vorgesehene Umgebungsluft, befinden. Dadurch wird die Auswertegenauigkeit der Positionserfassung weiter verbessert.According to a further advantageous embodiment, an axial end face of at least one of the two armature parts lies within an axial area that is defined by the axial separation zone when the actuator is in one of the two end positions. A measurement signal with a particularly high information content that can be easily evaluated can thus be generated for the position detection of the actuator. The position determination can then be carried out very precisely. In particular, the coil can be divided into three sub-coils, with the two separation zones then formed preferably being placed axially in such a way that the above-mentioned condition is met. The axial position of each of the two separation zones coincides with the axial position of an axial face of one of the two anchor parts when the actuator is in the two end positions. The separation zones in the coil are therefore essentially arranged at the same axial points at which the material jumps or changes with the greatest influence on the magnetic conditions occur in the interior of the coil, namely the transitions from the ferromagnetic material in particular of the two armature parts to the Anchor gap provided ambient air are located. This further improves the evaluation accuracy of the position detection.

Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die axiale Trennungszone als freier und insbesondere unbefüllter Zwischenraum ausgeführt. Dadurch reduziert sich der ohnehin geringe Platzbedarf für die Zwischenzone weiter.According to a further advantageous embodiment, the axial separation zone is designed as a free and, in particular, unfilled intermediate space. This further reduces the already small space requirement for the intermediate zone.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann in der axialen Trennungszone aber auch ein gesondertes, insbesondere scheibenringförmiges Bauteil angeordnet sein. Dadurch lässt sich insbesondere während des Bewicklungsvorgangs sicherstellen, dass die gewünschte Trennung zwischen den benachbarten Teilspulen fehlerfrei erfolgt.According to an alternative configuration, however, a separate component, in particular in the form of a disk ring, can also be arranged in the axial separation zone. In this way, it can be ensured, in particular during the winding process, that the desired separation between the adjacent partial coils takes place without errors.

Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Stellvorrichtung angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden.Both the features specified in the patent claims and the features specified in the following exemplary embodiments of the adjusting device according to the invention are each suitable, alone or in combination with one another, to develop the subject according to the invention.

Bei der elektromagnetischen Stellvorrichtung kann es sich insbesondere um diejenige eines Kraftfahrzeugs handeln, beispielsweise eines Personen- oder Lastkraftwagens. Demgemäß kann die Stellvorrichtung zur Auswahl einer Schaltgasse eines Kraftfahrzeuggetriebes dienen oder andere Stellaufgaben in einem Fahrzeuggetriebe übernehmen (beispielsweise Zu- oder Abkoppeln von An-/Abtriebswellen des Getriebes, Einlegen von Getriebegängen, Zu- oder Abschalten von Sperren). Bei dem Fahrzeuggetriebe handelt es sich insbesondere um ein Getriebe im Fahrzeugantriebsstrang, mittels dessen der Vortrieb des Fahrzeugs erfolgt. Die Stellvorrichtung kann auch zur Einstellung eines Fahrzeugfluidruckes oder einer -durchflussrate (beispielsweise in einem Pneumatik-, Hydraulik-, Heizungs- oder Kühlsystem) dienen. Ebenso können andere geeignete Stellaufgaben, auch auf anderen Technikgebieten, durch die Stellvorrichtung durchgeführt werden. Insbesondere kann es sich bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung auch um eine Stellvorrichtung eines elektrischen Schließmechanismus' einer Türe oder eines Fensters (beispielsweise eines Gebäudes, Möbelstücks, Sicherheitsschranks oder Fahrzeugs) handeln.The electromagnetic actuating device can in particular be that of a motor vehicle, for example a passenger car or truck. Accordingly, the actuating device can be used to select a shift gate of a motor vehicle transmission or take on other actuating tasks in a vehicle transmission (e.g. coupling or decoupling input/output shafts of the transmission, engaging transmission gears, engaging or disengaging locks). The vehicle transmission is in particular a transmission in the vehicle drive train, by means of which the vehicle is propelled. The actuator may also be used to adjust vehicle fluid pressure or flow rate (e.g., in a pneumatic, hydraulic, heating, or cooling system). Likewise, other suitable setting tasks, also in other fields of technology, can be carried out by the setting device. In particular, the electromagnetic actuating device according to the invention can also be an actuating device for an electric locking mechanism of a door or a window (for example of a building, piece of furniture, safety cabinet or vehicle).

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer bidirektionalen elektromagnetischen Stellvorrichtung mit einem in einer ersten stabilen Endposition befindlichen Stellglied,
2 die Stellvorrichtung gemäß 1 mit dem Stellglied in einer zweiten stabilen Endposition,
3 die Stellvorrichtung gemäß 1 mit dem Stellglied in einer stabilen Mittenposition, und
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer bidirektionalen elektromagnetischen Stellvorrichtung mit mehrgeteilter Spule zur Positionserfassung für das Stellglied.

Further features, advantages and details of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. It shows:

1 a first embodiment of a bidirectional electromagnetic actuator with an actuator located in a first stable end position,
2 the actuator according to 1 with the actuator in a second stable end position,
3 the actuator according to 1 with the actuator in a stable center position, and
4 a second embodiment of a bidirectional electromagnetic actuator with multi-part coil for position detection for the actuator.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.Corresponding parts are in the 1 until 4 provided with the same reference numbers. Details of the exemplary embodiments explained in more detail below can also represent an invention on their own or be part of an object of the invention.

In 1 bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer bidirektionalen elektromagnetischen Stellvorrichtung 1 gezeigt, die ein längs einer Mittenlängsachse 2 bewegliches Stellglied 3 umfasst, das zumindest teilweise innerhalb eines Spuleninnenraums 4 einer elektrischen Spule 5 angeordnet ist. Das längs bewegliche Stellglied 3 enthält einen Anker 6 sowie eine Stellstange 7. Das Stellglied 3 wirkt bidirektional, also in beide axiale Richtungen. Die beidseitige Längsbeweglichkeit des Stellglieds 3 ist durch den Doppelpfeil 8 angedeutet.In 1 until 3 an exemplary embodiment of a bidirectional electromagnetic actuating device 1 is shown, which includes an actuating element 3 that can be moved along a central longitudinal axis 2 and that is arranged at least partially inside a coil interior space 4 of an electrical coil 5 . The longitudinally movable actuator 3 contains an armature 6 and an actuating rod 7. The actuator 3 acts bidirectionally, ie in both axial directions. The two-way longitudinal mobility of the actuator 3 is indicated by the double arrow 8 .

Die Spule 5 ist in einem Gehäuse angeordnet, das einen in etwa zylinderförmigen Mantel 9 sowie axiale Stirnseitenabdeckungen 10 und 11 umfasst. Die Stirnseitenabdeckungen 10, 11 enthalten jeweils eine Durchgangsöffnung 12 bzw. 13, die sich auf der dem Spuleninnenraum 4 zugewandten Innenseite der Stirnseitenabdeckungen 10, 11 in jeweils einstückig an die betreffende Stirnseitenabdeckung 10, 11 angeformten hohlzylindrischen Führungsrohren 14 bzw. 15 fortsetzen. Die Führungsrohre 14 und 15 dienen zur Führung und Lagerung des Ankers 6.The coil 5 is arranged in a housing which comprises an approximately cylindrical casing 9 and axial end face covers 10 and 11 . The end covers 10, 11 each contain a through opening 12 or 13, which continues on the inner side of the end covers 10, 11 facing the coil interior 4 in hollow cylindrical guide tubes 14 or 15, respectively, which are integrally formed on the respective end cover 10, 11. The guide tubes 14 and 15 serve to guide and mount the armature 6.

Der Anker 6 ist zweigeteilt ausgeführt. Er umfasst ein erstes Ankerteil 16 sowie ein zweites Ankerteil 17. Beide Ankerteile 16, 17 sind an der Stellstange 7 zueinander fluchtend angebracht. Die Ankerteile 16 und 17 sind im Spuleninnenraum 4 durch eine Ankerlücke 18 axial voneinander beabstandet.The armature 6 is designed in two parts. It comprises a first anchor part 16 and a second anchor part 17. Both anchor parts 16, 17 are attached to the actuating rod 7 in alignment with one another. The armature parts 16 and 17 are axially spaced apart from one another in the coil interior 4 by an armature gap 18 .

Im Bereich der Ankerlücke 18 ist ein hohlzylindrisches den Anker 6 umgebendes Joch 19 ortsfest im Spuleninnenraum 4 angeordnet. Das Joch 19 ist konzentrisch zur Mittenlängsachse 2 platziert. Es dient insbesondere und zumindest in gewissem Umfang auch zur Führung und/oder Lagerung des Ankers 6. Das Joch 19 überdeckt die Ankerlücke 18, wobei die relative Position der Ankerlücke 18 zu dem ortsfesten Joch 19 wegen der axialen Verschiebbarkeit des Stellglieds 3 variieren kann. Das Joch 19 hat eine größere axiale Ausdehnung als die Ankerlücke 18, sodass zwischen dem Joch 19 und dem ersten Ankerteil 16 eine erste Jochüberlappung 20 (siehe 2) und zwischen dem Joch 19 und dem zweiten Ankerteil 17 eine zweite Jochüberlappung 21 gegeben ist. Das Ausmaß der Jochüberlappungen 20, 21 kann wiederum variieren. Es hängt von der Position des Stellglieds 3 ab. Bei dem in 1 gezeigten Betriebszustand der Stellvorrichtung 1 ist die erste Jochüberlappung 20 annähernd null, wohingegen die zweite Jochüberlappung 21 ihre größtmögliche axiale Ausdehnung aufweist. Umgekehrte Verhältnisse sind in 2 dargestellt.In the region of the armature gap 18, a hollow-cylindrical yoke 19 surrounding the armature 6 is arranged in a stationary manner in the coil interior 4. The yoke 19 is placed concentrically to the central longitudinal axis 2 . It also serves in particular and at least to a certain extent to guide and/or support the armature 6. The yoke 19 covers the armature gap 18, with the relative position of the armature gap 18 to the stationary yoke 19 being able to vary due to the axial displaceability of the actuator 3. The yoke 19 has a greater axial extent than the armature gap 18, so that between the yoke 19 and the first armature part 16 there is a first yoke overlap 20 (see 2 ) and between the yoke 19 and the second anchor part 17 there is a second yoke overlap 21 . Again, the extent of the yoke overlaps 20, 21 may vary. It depends on the position of the actuator 3. At the in 1 shown operating state of the actuating device 1, the first yoke overlap 20 is approximately zero, whereas the second yoke overlap 21 has its greatest possible axial extent. Reverse ratios are in 2 shown.

Die in dem Magnetflusskreis angeordneten Komponenten enthalten insbesondere ein ferromagnetisches Material oder bestehen insbesondere aus einem solchen Material. Dies betrifft zumindest den Anker 6 und das Joch 19, aber gegebenenfalls auch die Stirnseitenabdeckungen 10, 11 sowie den Mantel 9.The components arranged in the magnetic flux circuit contain in particular a ferromagnetic material or consist in particular of such a material. This affects at least the armature 6 and the yoke 19, but possibly also the end covers 10, 11 and the jacket 9.

Die Stellvorrichtung 1 enthält außerdem zwei axiale Endanschläge 22 und 23. Das erste Ankerteil 16 stößt mit einer von der Ankerlücke 18 abgewandten axialen Stirnfläche 24 an den Endanschlag 22 an, wenn sich das Stellglied 3 in einer ersten Endposition befindet. Analog stößt das zweite Ankerteil 17 mit einer von der Ankerlücke 18 abgewandten axialen Stirnfläche 25 an den zweiten Endanschlag 23 an, wenn sich das Stellglied 3 in einer zweiten Endposition befindet. Die Endanschläge 22 und 23 sind mit Durchgangslöchern 26 bzw. 27 versehen, durch die die Stellstange 7 jeweils hindurchgeführt ist.The actuating device 1 also contains two axial end stops 22 and 23. The first armature part 16 abuts the end stop 22 with an axial end face 24 facing away from the armature gap 18 when the actuator 3 is in a first end position. Analogously, the second armature part 17 abuts against the second end stop 23 with an axial end face 25 facing away from the armature gap 18 when the actuator 3 is in a second end position. The end stops 22 and 23 are provided with through holes 26 and 27, respectively, through which the actuating rod 7 is passed in each case.

Außerdem ist die Stellstange 7 des Stellglieds 3 mit einem bistabilen Haltelement in Form einer zusammengedrückt eingespannten Schraubenfeder 28 mechanisch verbunden. Die Schraubenfeder 28 hat eine Federlängsachse 29, die im Wesentlichen senkrecht zur Mittenlängsachse 2 orientiert ist. Außerdem weist die Schraubenfeder 28 in Richtung ihrer Federlängsachse gesehen eine Federmitte 30 (siehe 3) auf. Die Schraubenfeder 28 kann mittig oder außermittig an der Stellstange 7 angebracht sein. Statt schraubenförmig kann die Feder 28 auch beliebig anders geeignet ausgeführt sein, beispielsweise als Tellerfeder oder Schnappfeder. Bevorzugt ist bei jeder Ausführungsform der Stellvorrichtung die Feder 28 derart ausgeführt ist, dass sich die Wirkungsrichtung der Federkraft (Haltekraft) umkehrt, wenn sich das Stellglied 3 im Bereich der Mittenposition befindet (siehe 3).In addition, the actuating rod 7 of the actuating element 3 is mechanically connected to a bistable holding element in the form of a compressed, clamped helical spring 28 . The helical spring 28 has a spring longitudinal axis 29 which is oriented essentially perpendicularly to the central longitudinal axis 2 . In addition, seen in the direction of its spring longitudinal axis, the helical spring 28 has a spring center 30 (see FIG 3 ) on. The helical spring 28 can be attached to the actuating rod 7 in the center or off-centre. Instead of being helical, the spring 28 can also be designed in any other suitable manner, for example as a disk spring or snap spring. In each embodiment of the actuating device, the spring 28 is preferably designed in such a way that the direction of action of the spring force (retaining force) is reversed when the actuating element 3 is in the middle position (see FIG 3 ).

Im Folgenden werden die Funktionsweise, Vorteile und besondere Eigenschaften der Stellvorrichtung 1 unter Bezugnahme auf die Abbildungen gemäß 1 bis 3 erläutert.The functioning, advantages and special properties of the adjusting device 1 are explained below with reference to the figures according to FIG 1 until 3 explained.

Wie bereits erwähnt, hat die Stellvorrichtung 1 eine bidirektionale Wirkung. Es können Stellvorgänge in beide axiale Richtungen vorgenommen werden.As already mentioned, the adjusting device 1 has a bidirectional effect. Adjustments can be made in both axial directions.

Darüber hinaus hat die Stellvorrichtung 1 mindestens zwei, bei geeigneter Ansteuerung der Spule 5 drei stabile Positionen. Dementsprechend kann die Stellvorrichtung 1 als bistabil bzw. tristabil bezeichnet werden.In addition, the actuating device 1 has at least two stable positions, and with suitable control of the coil 5 three stable positions. Accordingly, the actuating device 1 can be referred to as bistable or tristable.

Die Stabilität des Stellglieds 3 in seiner ersten und zweiten Endposition wird durch die Haltekraft der Schraubenfeder 28 gewährleistet. Die Schraubenfeder 28 ist so an der Stellstange 7 angebracht, dass ihr in 3 gezeigter größter zusammengedrückter Zustand gegeben ist, wenn sich das Stellglied 3 in etwa in einer Mittenposition zwischen den beiden Endpositionen (siehe 1 und 2) befindet. In der Mittenposition (siehe 3) ist die Ankerlücke 19 in etwa symmetrisch zum Joch 19 angeordnet. Die Jochüberlappungen 21, 22 der beiden Ankerteile 16 bzw. 17 sind dann im Wesentlichen gleich groß.The stability of the actuator 3 in its first and second end positions is ensured by the holding force of the helical spring 28 . The helical spring 28 is attached to the actuating rod 7 in such a way that 3 shown greatest compressed state is given when the actuator 3 is approximately in a middle position between the two end positions (see 1 and 2 ) is located. In the middle position (see 3 ) the armature gap 19 is arranged approximately symmetrically to the yoke 19. The yoke overlaps 21, 22 of the two anchor parts 16 and 17 are then essentially the same size.

Gegenüber den Verhältnissen in der Mittenposition ist die Schraubenfeder 28 in einem entspannteren Zustand, wenn sich das Stellglied 3 in den beiden Endpositionen (siehe 1 und 2) befindet. Die Schraubenfeder 28 ist dann seitlich, d.h. in Richtung der Mittenlängsachse 2, ein Stück weit ausgelenkt, wodurch sich Raum für eine Entspannung der Schraubenfeder 28 ergibt. Die seitliche Auslenkung der Schraubenfeder 28 längs der Mittenlängsachse 2 kann in beide axiale Richtungen erfolgen, wobei es jeweils zu der Federentspannung kommt.Compared to the conditions in the middle position, the coil spring 28 is in a more relaxed state when the actuator 3 is in the two end positions (see 1 and 2 ) is located. The helical spring 28 is then deflected a little laterally, ie in the direction of the central longitudinal axis 2, resulting in space for the helical spring 28 to relax. The lateral deflection of the helical spring 28 along the central longitudinal axis 2 can take place in both axial directions, with spring relaxation occurring in each case.

In dem in 1 gezeigten Zustand befindet sich das Stellglied 3 in der ersten Endposition. Das erste Ankerteil 16 liegt an dem Endanschlag 22 an. Die Schraubenfeder 28 ist in ihrem entspannten Zustand und hält das Stellglied 3 in dieser ersten Endposition. Eine Bewegung weg von dem Endanschlag 22 kann nur bei Überwindung der entgegenwirkenden Federkraft der Schraubenfeder 28 erfolgen. Die Federkraft wirkt einer Bewegung solange entgegen, bis die Schraubenfeder 28 sich bei Erreichen des Stellglieds 23 der Mittenposition (siehe 3) in ihrem maximal gespannten Zustand befindet. Wird die Bewegung des Stellglieds 23 in diese Richtung fortgesetzt, kehrt sich die Wirkungsrichtung der Federkraft um. Sie steht einer Fortbewegung des Stellglieds 3 in dieser Richtung nicht mehr entgegen, sondern begünstigt diese sogar. Die Schraubenfeder 28 ist dann bestrebt, in einen möglichst entspannten Zustand zu gelangen. Analoge Verhältnisse stellen sich ein, wenn das Stellglied 3 ausgehend von der in 2 dargestellten zweiten Endposition in Richtung zur ersten Endposition (siehe 1) zurückbewegt wird. Auch hier muss zunächst die entgegenstehende Federkraft überwunden werden. Insgesamt hält die Schraubenfeder 28 das Stellglied 3 also jeweils in beiden Endpositionen zurück.in the in 1 shown state is the actuator 3 in the first end position. The first anchor part 16 rests against the end stop 22 . The coil spring 28 is in its relaxed state and holds the actuator 3 in this first end position. A movement away from the end stop 22 can only take place when the opposing spring force of the coil spring 28 is overcome. The spring force counteracts a movement until the helical spring 28 returns to the middle position when the actuator 23 is reached (see FIG 3 ) is in its maximum stressed state. If the movement of the actuator 23 is continued in this direction, the direction of action of the spring force is reversed. It no longer stands in the way of movement of the actuator 3 in this direction, but actually encourages it. The helical spring 28 then strives to reach a state that is as relaxed as possible. Analogous conditions arise when the actuator 3, starting from the in 2 illustrated second end position towards the first end position (see 1 ) is moved back. Here, too, the opposing spring force must first be overcome. Overall, the helical spring 28 holds the actuator 3 back in both end positions.

Um einen Stellvorgang, verbunden mit einem Positionswechsel des Stellglieds 3, einzuleiten, wird die Spule 5 mit einem Stromimpuls beaufschlagt. Aufgrund des Stromflusses in der Spule 5 wird im Spuleninnenraum 4 ein Magnetfluss erzeugt. Dieser Magnetfluss wird u.a. in den beiden Ankerteilen 16 und 17 geführt. Die Überbrückung der Ankerlücke 18 erfolgt über das Joch 19, über das sich auch der Magnetfluss schließt. In einem inhomogenen Magnetkreis besteht das Bestreben, den Magnetwiderstand zu reduzieren. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Jochüberlappungen 20, 21 von Bedeutung. Die erste Jochüberlappung 20 ist bei der in 1 gezeigten Stellung des Stellglieds 3 verschwindend und jedenfalls deutlich kleiner als die zweite Jochüberlappung 21. Dementsprechend stellt sich zwischen dem ersten Ankerteil 16 und dem Joch 19 in diesem Betriebszustand ein relativ hoher Magnetwiderstand ein. Unter dem Einfluss der strombeaufschlagten Spule 5 und im Bestreben diesen Magnetwiderstand zu reduzieren, wird das Stellglied 3 in Richtung auf den zweiten Endanschlag 23 und vor allem auch gegen die Federkraftwirkung der Schraubenfeder 28 beschleunigt. Sobald die Mittenposition durchlaufen ist, ist, wie vorstehend erwähnt, keine Magnetkraft mehr notwendig, um das Stellglied 3 in die zweite Endposition zu überführen. Die Strombeaufschlagung der Spule 5 kann ab dann wieder beendet werden. Die Zurückführung des Stellglieds 3 von der zweiten in die erste Endposition erfolgt analog.In order to initiate an actuating process, associated with a change in position of the actuator 3, the coil 5 is subjected to a current pulse. Due to the current flow in the coil 5, a magnetic flux is generated in the coil interior 4. This magnetic flux is guided in the two armature parts 16 and 17, among other things. The bridging of the armature gap 18 takes place via the yoke 19, via which the magnetic flux also closes. In an inhomogeneous magnetic circuit, there is a desire to reduce the magnetic resistance. This is particularly important with regard to the yoke overlaps 20,21. The first yoke overlap 20 is at the in 1 shown position of the actuator 3 vanishing and in any case significantly smaller than the second yoke overlap 21. Accordingly, there is a relatively high magnetic resistance between the first armature part 16 and the yoke 19 in this operating state. Under the influence of the current-loaded coil 5 and in an attempt to reduce this magnetic resistance, the actuator 3 is accelerated in the direction of the second end stop 23 and, above all, also against the spring force effect of the helical spring 28 . As soon as the middle position has been passed, magnetic force is no longer necessary, as mentioned above, in order to move the actuator 3 into the second end position. The application of current to the coil 5 can then be ended again. The return of the actuator 3 from the second to the first end position is analogous.

Wird die Spule 5 allerdings nicht mit einem Stromimpuls, sondern mit einem Dauerstrom beaufschlagt, stellt sich eine andere Situation ein. Im Magnetkreis wird dann ein energetisch bevorzugter Zustand angestrebt, bei dem sowohl der Magnetwiderstand zwischen dem ersten Ankerteil 16 und dem Joch 19 als auch der Magnetwiderstand zwischen dem zweiten Ankerteil 17 und dem Joch 19 möglichst niedrig ist. Dies ist dann der Fall, wenn beide Jochüberlappungen 20, 21 in etwa gleich groß sind, und sich das Stellglied 3 in der in 3 gezeigten Mittenposition befindet. Das Stellglied 3 wird durch Magnetkraftwirkung in dieser Mittenposition gehalten, so lange ein Stromfluss in der Spule 5 gegeben ist.However, if the coil 5 is not supplied with a current pulse but with a continuous current, a different situation arises. An energetically preferred state is then sought in the magnetic circuit, in which both the magnetic resistance between the first armature part 16 and the yoke 19 and the magnetic resistance between the second armature part 17 and the yoke 19 are as low as possible. This is the case when both yoke overlaps 20, 21 are approximately the same size and the actuator 3 is in the in 3 center position shown. The actuator 3 is held in this central position by the effect of magnetic force as long as there is a current flow in the coil 5 .

Da nach dem Abschalten des Stromflusses in der Spule 5 ein undefinierter Zustand entstehen könnte, ist es vorteilhaft, die Federkraftwirkung der Spule 28 nicht ganz symmetrisch in Bezug auf die Mittenposition einzustellen. Deshalb wird die Schraubenfeder 28 in diesem Fall außermittig an der Stellstange 7 angebracht. Dann wird das Stellglied 3 nach Abschalten des Stromflusses in der Spule 5 durch die danach wieder maßgebliche Federkraftwirkung in eine der beiden Endpositionen überführt.Since an undefined state could arise in the coil 5 after the current flow has been switched off, it is advantageous not to adjust the spring force effect of the coil 28 quite symmetrically in relation to the middle position. Therefore, in this case, the coil spring 28 is attached to the actuating rod 7 off-centre. Then, after the current flow in the coil 5 has been switched off, the actuator 3 is transferred into one of the two end positions by the spring force action which is then again decisive.

In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer weiteren bidirektionalen elektromagnetischen Stellvorrichtung 31 gezeigt. Die Stellvorrichtung 31 unterscheidet sich von der Stellvorrichtung 1 gemäß 1 bis 3 vor allem durch eine andere Ausgestaltung der elektrischen Spule 32, die hier mehrteilig ausgeführt ist. Sie enthält drei Teilspulen 33, 34 und 35, die axial hintereinander angeordnet sind. Allerdings ist die Dreiteilung der Spule 32 nicht zwingend. Andere Teilungen, beispielsweise in nur zwei Teilspulen oder mehr als drei Teilspulen, sind ebenfalls möglich.In 4 an exemplary embodiment of a further bidirectional electromagnetic actuating device 31 is shown. The adjusting device 31 differs from the adjusting device 1 according to FIG 1 until 3 primarily due to a different configuration of the electric coil 32, which is designed here in several parts. It contains three partial coils 33, 34 and 35 which are arranged axially one behind the other. However, the tripartition of the coil 32 is not mandatory. Other divisions, for example in only two partial coils or more than three partial coils, are also possible.

Zwischen jeweils zwei benachbarten Teilspulen 33 und 34 bzw. 34 und 35 ist eine Trennungszone 36 bzw. 37 vorgesehen, innerhalb derer ein gesondertes scheibenringförmiges Trennbauteil 38 bzw. 39 platziert ist. Die Teilspulen 33 bis 35 sind durch die axialen Trennungszonen 36 und 37 räumlich voneinander getrennt. Die axialen Trennungszonen 36 und 37 haben jeweils eine axiale Ausdehnung d. Die Trennungszone 36 erstreckt sich innerhalb eines axialen Bereichs, in dem auch eine axiale Stirnfläche 40 des ersten Ankerteils 16 liegt, wenn sich das Stellglied 3 - wie in 1 und 4 dargestellt - in seiner ersten Endposition befindet. Analog erstreckt sich die Trennungszone 37 innerhalb eines axialen Bereichs, in dem auch eine axiale Stirnfläche 41 des zweiten Ankerteils 17 liegt, wenn sich das Stellglied 3 - wie in 2 dargestellt - in seiner zweiten Endposition befindet.A separation zone 36 or 37 is provided between each two adjacent partial coils 33 and 34 or 34 and 35, within which a separate disk ring-shaped separating component 38 or 39 is placed. The partial coils 33 to 35 are spatially separated from one another by the axial separation zones 36 and 37 . The axial separation zones 36 and 37 each have an axial extent d. The separation zone 36 extends within an axial area in which an axial end face 40 of the first anchor part 16 is located when the actuator 3 - as in 1 and 4 shown - is in its first end position. Analogously, the separation zone 37 extends within an axial area in which an axial end face 41 of the second armature part 17 also lies when the actuator 3 - as in 2 shown - is in its second end position.

Die drei Teilspulen 33 bis 35 sind mittels elektrischer Verbindungen 42 und 43 in Reihe geschaltet. Die Spule 32 hat an ihren beiden axialen Stirnseiten zwei elektrische Hauptanschlüsse 44 und 45 sowie außerdem zwei Mittenabgriffe 46 und 47, von denen jeder an eine der elektrischen Verbindungen 42 und 43 angeschlossen ist. Die Hauptanschlüsse 44, 45 und die Mittenabgriffe 46, 47 sind mit einer Steuereinheit 48, die insbesondere ebenfalls Bestandteil der elektromagnetischen Stellvorrichtung 31 ist, elektrisch verbunden.The three partial coils 33 to 35 are connected in series by means of electrical connections 42 and 43 . The coil 32 has two main electrical connections 44 and 45 on its two axial end faces and also two center taps 46 and 47, each of which is connected to one of the electrical connections 42 and 43. The main connections 44, 45 and the center taps 46, 47 are electrically connected to a control unit 48, which in particular is also a component of the electromagnetic actuating device 31.

Die Spule 32 erfüllt eine doppelte Funktion. Sie dient zum einen, wie vorstehend erläutert, zur Längsverschiebung des Stellglieds 3. Zum anderen kann die Spule 32 aufgrund ihrer Mehrteilung zur Erfassung der aktuellen Position des Stellglieds 3 und insbesondere des Ankers 6 herangezogen werden. Die Kenntnis der aktuellen Stellgliedposition ist bei vielen Anwendungsfällen, bei denen die elektromagnetische Stellvorrichtung 31 zum Einsatz kommt, von Bedeutung. Zur Positionserfassung wird die Spule 32 in einem Sensorbetriebsmodus betrieben. Hierbei wird ein Teil der Spule 32, insbesondere eine Untermenge der Teilspulen 33 bis 35, mit einem Sensorstrom beaufschlagt. Durch Induktion wird in dem nicht mit Strom beaufschlagten Teil der Spule 32 eine Spannung induziert, sodass an dem zugehörigen Hauptanschluss 44 oder 45 oder Mittenabgriff 46 oder 47 ein Potentialsignal abgegriffen und in der Steuereinheit 48 erfasst und ausgewertet werden kann. Das Potentialsignal hängt von dem aktuellen Induktivitätswert der gesamten Spulenanordnung ab. Die Induktivität dieser Spulenanordnung wird u.a. auch durch die Position des Ankers 6 bestimmt. Je nach Ankerposition stellen sich ein spezifischer Induktivitätswert und ein erfassbares Potentialsignal mit einem durch den Induktivitätswert bedingten spezifischen Informationsgehalt ein. Anhand einer Auswertung des Potentialsignals in der Steuereinheit 48 lässt sich auf den aktuellen Induktivitätswert und damit auf die aktuelle Position des Ankers 6 bzw. des Stellglieds 3 rückschließen.The coil 32 performs a dual function. On the one hand, as explained above, it serves for the longitudinal displacement of the actuator 3. On the other hand, the coil 32 can be used to detect the current position of the actuator 3 and in particular of the armature 6 due to its multi-pitch. Knowing the current position of the actuator is important in many applications in which the electromagnetic actuator 31 is used. For position detection, the coil 32 is operated in a sensor operating mode. In this case, a part of the coil 32, in particular a subset of the partial coils 33 to 35, is acted upon by a sensor current. A voltage is induced by induction in the part of the coil 32 that is not subjected to current, so that a potential signal can be tapped off at the associated main connection 44 or 45 or center tap 46 or 47 and can be recorded and evaluated in the control unit 48 . The potential signal depends on the current inductance value of the entire coil arrangement. The inductance of this coil arrangement is also determined by the position of the armature 6, among other things. Depending on the armature position, a specific inductance value and a detectable potential signal with a specific information content caused by the inductance value are set. Based on an evaluation of the potential signal in the control unit 48, the current inductance value and thus the current position of the armature 6 or the actuator 3 can be inferred.

Die Erfassungsgenauigkeit bei der Bestimmung der Ankerposition kann durch die vorteilhafte axiale Positionsübereinstimmung der axialen Stirnfläche 40 und der Trennungszone 36 sowie der axialen Stirnfläche 41 und der Trennungszone 37 weiter verbessert werden. Platziert man die Trennungszonen 36 und 37 nämlich gerade an den axialen Positionen, an denen der Materialsprung zwischen dem ersten Ankerteil 16 bzw. dem zweiten Ankerteil 17 einerseits und der mit Umgebungsluft befüllten Ankerlücke 18 andererseits liegt, resultiert ein besonders signifikantes Messsignal, aus dem die Position des Ankers 6 mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.The detection accuracy when determining the armature position can be further improved by the advantageous axial position coincidence of the axial end face 40 and the separation zone 36 and of the axial end face 41 and the separation zone 37 . If the separation zones 36 and 37 are placed precisely at the axial positions where the material jump between the first anchor part 16 or the second anchor part 17 on the one hand and the anchor gap 18 filled with ambient air on the other hand is located, a particularly significant measurement signal results from which the position of the armature 6 can be determined with high accuracy.

Für die Positionsbestimmung ist vorteilhafterweise kein zusätzliches Bauteil erforderlich. Die Spule 32 wird ohnehin für die Positionsverschiebung des Stellglieds0 3 benötigt. Die Stellvorrichtung 32 kann deshalb praktisch unter Beibehaltung des Bauvolumens um die Funktionalität der Positionserfassung erweitert werden.Advantageously, no additional component is required for determining the position. The coil 32 is required anyway for the position shift of the actuator 0 3 . The positioning device 32 can therefore be expanded to include the functionality of position detection while retaining the structural volume.

Ansonsten entspricht die Stellvorrichtung 32 in Aufbau und Wirkungsweise der Stellvorrichtung 1. Beide Stellvorrichtungen 1 und 32 zeichnen sich durch einen sehr kompakten Aufbau mit einer einzigen Spule 5 bzw. 32 und einem einfachen, aber trotzdem sehr effizienten Rückhaltemechanismus für das Stellglied 3 in den jeweiligen Endpositionen aus. Darüber hinaus lassen sich die Stellvorrichtungen 1 und 32 mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellen, insbesondere auch deshalb, weil auf den Einsatz kostenträchtiger Permanentmagnete verzichtet wird.Otherwise, the control device 32 corresponds in structure and mode of operation to the control device 1. Both control devices 1 and 32 are characterized by a very compact design with a single coil 5 or 32 and a simple, but nevertheless very efficient retaining mechanism for the control element 3 in the respective end positions out. In addition, the adjusting devices 1 and 32 can be produced with comparatively little effort, in particular because the use of costly permanent magnets is dispensed with.

BezugszeichenlisteReference List

11: elektromagnetische Stellvorrichtungelectromagnetic actuator
22: Mittenlängsachsecentral longitudinal axis
33: Stellgliedactuator
44: Spuleninnenraumcoil interior
55: SpuleKitchen sink
66: Ankeranchor
77: Stellstangeadjusting rod
88th: Doppelpfeildouble arrow
99: zylinderförmiger Mantelcylindrical coat
1010: axiale Stirnseitenabdeckungaxial face cover
1111: axiale Stirnseitenabdeckungaxial face cover
1212: Durchgangsöffnungpassage opening
1313: Durchgangsöffnungpassage opening
1414: Führungsrohrguide tube
1515: Führungsrohrguide tube
1616: erstes Ankerteilfirst anchor part
1717: erstes Ankerteilfirst anchor part
1818: Ankerlückeanchor gap
1919: Jochyoke
2020: erste Jochüberlappungfirst yoke overlap
2121: zweite Jochüberlappungsecond yoke overlap
2222: axialer Endanschlagaxial end stop
2323: axialer Endanschlagaxial end stop
2424: axiale Stirnflächeaxial face
2525: axiale Stirnflächeaxial face
2626: Durchgangsöffnungpassage opening
2727: Durchgangsöffnungpassage opening
2828: Schraubenfedercoil spring
2929: Federlängsachsespring longitudinal axis
3030: Federmittecenter of spring
3131: elektromagnetische Stellvorrichtungelectromagnetic actuator
3232: SpuleKitchen sink
3333: Teilspulepart coil
3434: Teilspulepart coil
3535: Teilspulepart coil
3636: Trennungszoneseparation zone
3737: Trennungszoneseparation zone
3838: Trennbauteilseparation component
3939: Trennbauteilseparation component
4040: axiale Stirnflächeaxial face
4141: axiale Stirnflächeaxial face
4242: elektrische Verbindungelectrical connection
4343: elektrische Verbindungelectrical connection
4444: elektrischer Hauptanschlussmain electrical connection
4545: elektrischer Hauptanschlussmain electrical connection
4646: Mittenabgriffcenter tap
4747: Mittenabgriffcenter tap
4848: Steuereinheitcontrol unit

Claims

Electromagnetic actuating device with an electrical coil (5; 32) having a central longitudinal axis (2) and surrounding a coil interior (4) and with an actuator (3) arranged along the central longitudinal axis (2) and at least partially in the coil interior (4), wherein the actuator (3) an actuator rod (7) and a split armature (6) attached to the actuator rod (7) with a first and a second anchor part (16, 17), characterized in that • the two anchor parts (16, 17) are spaced apart axially by an anchor gap (18), • in the area of the anchor gap (18) a hollow-cylindrical anchor (6) surrounding yoke (19) is arranged stationary in the coil interior (4), • the actuator (3) can be moved back and forth longitudinally between a first and a second stable axial end position and by applying current to the coil (5; 32) from the first End position can be converted into the second end position and vice versa, with one of the two anchor parts (16, 17) having a smaller axial overlap (20, 21) with the yoke (19) in each end position than the other of the two anchor parts (16,17) , and • at least one bistable holding element (28) is designed on the actuator (3) in such a way that a holding force of the holding element (28) holds the actuator (3) back in each of the two end positions. • wherein the holding element (28) is designed as a spring, which is attached to the actuator (3) in such a way that its spring force holds back the actuator (3) as a holding force in each of the two end positions.

adjustment device claim 1 , In which the yoke (19) has a greater axial extent than the anchor gap (18).

adjustment device claim 1 or 2 , in which one end stop (22, 23) is provided for each of the two end positions, and the anchor part (16, 17) striking one of the two end stops (22, 23) when the end position is reached is the one with the smaller overlap (20, 21) with the yoke (19).

Adjusting device according to one of the preceding claims, in which at least one further hollow-cylindrical yoke surrounding the armature (6) is arranged stationarily in the coil interior (4).

Adjusting device according to one of the preceding claims, in which the spring (28) is a helical spring (28) having a spring longitudinal axis (29), which is clamped in a compressed state and with the spring longitudinal axis (29) oriented perpendicularly to the central longitudinal axis (2) on the actuator (3) is attached.

Actuating device according to one of the preceding claims, in which the direction of action of the spring force is reversed when the actuator (3) changes from one end position to the other.

Adjusting device according to one of the preceding claims, in which the spring (28) is a helical spring (28) which has a spring longitudinal axis (29), which has a spring center (30) as seen in the direction of the spring longitudinal axis (29) and which outside of the spring center (30) attached to the actuator (3).

Actuating device according to one of the preceding claims, in which the actuator (3) can be transferred to a stable axial middle position lying in the middle between the two end positions by means of a continuous current application to the coil (5; 32), the two armature parts (16, 17) being in the middle position each have an equal axial overlap (20, 21) with the yoke (19).

Actuating device according to one of the preceding claims, in which the coil (32) is divided into at least two spatially separate partial coils (33, 34, 35) which are arranged axially one behind the other and are electrically connected in series, and between two adjacent partial coils (33, 34, 35) an axial separation zone (36, 37) and an electrical center tap (46, 47) are provided, with a sensor current provided for determining an axial position of the armature (6) being fed into a subset of the partial coils via the center tap (46, 47). (33, 34, 35) can be fed.

adjustment device claim 9 , in which an axial end face (40, 41) of at least one of the two armature parts (16, 17) when the actuator (3) is in one of the two end positions lies within an axial range defined by the axial separation zone (36, 37) is determined.

adjustment device claim 9 or 10 , in which the axial separation zone (36, 37) is designed as a free intermediate space, or in which a separate separating component (38, 39) is arranged in the axial separation zone (36, 37).