DE102013211314A1

DE102013211314A1 - Vielfach konfigurierbare Magnetfeder mit wählbaren Eigenschaften

Info

Publication number: DE102013211314A1
Application number: DE201310211314
Authority: DE
Inventors: Nilesh D. Mankame; Paul E. Krajewski; Roy J. Mathieu; Albert H. Butlin jun.; Paul W. Alexander
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2013-12-24
Also published as: CN103511528B; CN103511528A; US20130341137A1; US9016446B2

Abstract

Magnetfeder, die räumlich modulierte Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen sowohl für einen Stator als auch ein Gleitstück verwendet, um benutzerdefinierte Kraftkurven über einen Bewegungsbereich zu ermöglichen. Ebenfalls offenbart ist eine Magnetfeder, deren Gleitstück relativ zu dem Stator auf der Achse gedreht werden kann, sodass die Ausrichtung der räumlich modulierten Magnetfeldmuster des Glitstücks und des Stators verändert wird, was eine änderbare Kraftkurve für die Feder zur Folge hat, die durch Drehen des Gleitstücks gewählt werden kann.

Description

HINTERGRUND
Magnetfedern bieten die Vorteile von Kompaktheit und hoher Energiedichte ähnlich Fluidfedern, aber ohne die Nachteile von Undichtigkeiten und Temperaturabhängigkeit. Überdies bieten Magnetfedern die Möglichkeit einer konstanten Kraft über den Betriebsbereich im Gegensatz zu mechanischen Federn, die eine Kraft bieten, welche in Übereinstimmung mit der Verschiebung linear variiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung sieht eine Magnetfeder auf der Basis von räumlich modulierten Magnetfeldmustern mit einer benutzerdefinierten Kraftkurve über den Betriebsbereich vor. Zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung sehen eine Magnetfeder mit vielen Kraftkurven vor, sodass die aktive Kraftkurve in Übereinstimmung mit der azimutalen Winkelposition des Gleitschafts der Feder relativ zu dem Stator gewählt wird.
Demzufolge ist in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Magnetfeder vorgesehen, welche umfasst: (a) einen Stator mit einem ersten räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen; und (b) ein Gleitstück mit einem zweiten räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen; wobei der Stator und das Gleitstück mechanisch eingeschränkt sind, um eine räumliche Beziehung aufzuweisen, sodass: (i) das Gleitstück und der Stator mechanisch frei sind, um eine axiale Bewegung relativ zueinander entlang einer vordefinierten Achse über einen vordefinierten axialen Bereich zu erfahren, die eine axiale Verschiebung des Gleitstücks und des Stators relativ zueinander zur Folge hat; (ii) das erste räumlich modulierte Magnetfeldmuster und das zweite räumlich modulierte Magnetfeldmuster magnetisch in Wechselwirkung stehen, um eine magnetische Wechselwirkung in Übereinstimmung mit der räumlichen Beziehung und der axialen Verschiebung aufzuweisen, sodass eine axiale Kraft, welche aus der magnetischen Wechselwirkung entsteht, zwischen dem Stator und dem Gleitstück vorhanden ist; und (iii) die axiale Kraft zwischen dem Stator und dem Gleitstück eine Funktion der axialen Verschiebung des Gleitstücks und des Stators relativ zueinander entlang der vordefinierten Achse innerhalb des vordefinierten axialen Bereiches ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der als die Erfindung angesehene Gegenstand wird insbesondere in dem Schlussabschnitt der Patentbeschreibung hervorgehoben und eindeutig beansprucht. Die Erfindung, sowohl was die Organisation und das Verfahren des Betriebes betrifft, zusammen mit den Zielen, Merkmalen und Vorteilen derselben, ist am besten durch Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung beim Lesen mit den beigefügten Zeichnungen verständlich, in denen:
1 eine isometrische Explosionsansicht ist, welche die Komponenten einer Magnetfeder gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
2 axiale Ansichten zeigt, die separat den Stator und das Gleitstück der Magnetfeder von 1 illustrieren.
3 ein nicht einschränkendes Beispiel eines räumlich modulierten Magnetfeldmusters einer örtlichen magnetischen Orientierung in einem Magnetfederstator gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
4 axiale Ansichten zeigt, die separat den Stator und das Gleitstück einer Magnetfeder gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustrieren.
5 ein nicht einschränkendes Beispiel einer Kraftkurve für eine Magnetfeder gemäß einer Ausführungsform der der vorliegenden Erfindung illustriert.
6A eine axiale Ansicht ist, welche eine Magnetfeder gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung mit einem Gleitstück in einer ersten azimutalen Orientierung illustriert.
6B eine axiale Ansicht ist, welche die Magnetfeder von 6A mit einem Gleitstück in einer zweiten azimutalen Orientierung illustriert.
7 ein nicht einschränkendes Beispiel der zwei jeweiligen Kraftkurven für die Magnetfeder der 6A und 6B in den zwei azimutalen Orientierungen illustriert.
Es sei angemerkt, dass zur Einfachheit und Klarheit der Illustration Elemente in den Fig. nicht unbedingt maßstabgetreu gezeichnet wurden. Beispielsweise können zur Klarheit die Abmessungen einiger der Elemente verglichen mit anderen Elemente übertrieben sein. Ferner können, wenn es als geeignet erachtet wird, Bezugsziffern unter den Fig. wiederholt werden, um entsprechende oder analoge Elemente anzuzeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sind viele spezifische Details dargelegt, um für ein tiefgehendes Verständnis der Erfindung zu sorgen. Fachleute werden jedoch einsehen, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details praktisch umgesetzt werden kann. In anderen Fällen wurden gut bekannte Verfahren, Abläufe und Komponenten nicht im Detail dargelegt, um die vorliegende Erfindung nicht undurchschaubar zu machen.
1 illustriert die Komponenten und den Aufbau einer Magnetfeder 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Stator 101 weist ein schützendes äußeres Gehäuse 103 und ein dünnes, reibungsarmes inneres Lager 105 um eine Ausnehmung 109 herum auf, innerhalb der ein Gleitstück 111 sitzt und in und aus Richtungen 115 entlang einer Längsachse 117 gleitet. Zwischen dem Gehäuse 103 und dem Lager 105 befindet sich ein magnetisches Material mit einem räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen wie z. B. in repräsentativen Regionen 107A, 107B, 107C, 107D und 107E. Räumlich modulierte Magnetfeldmuster von Magneten und magnetischen Regionen sind auf dem technischen Gebiet bekannt und auch Techniken mm Erzeugen vordefinierter räumlich modulierter Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen sind auf dem technischen Gebiet bekannt. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können solche Techniken eingesetzt werden, um räumlich modulierte Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen in den Komponenten einer Magnetfeder, wie hierin beschrieben, zu schaffen.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzen der Stator 101 und das Gleitstück 111 Muster, die sowohl axial als auch azimutal räumlich moduliert sind.
Das Gleitstück 111 umfasst ein magnetisches Material, welches ebenfalls räumlich modulierte Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen wie z. B. in repräsentativen Regionen 113A, 113B, 113C, 113D und 113E aufweist. 2 zeigt vergrößerte Ansichten des Stators 101 und des Gleitstücks 111. Die magnetische Wechselwirkung zwischen dem räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen in dem Stator 101 und dem räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen in dem Gleitstück 111 haben eine axiale Kraft zwischen dem Stator 101 und dem Gleitstück 111 zur Folge, die eine Funktion der axialen Verschiebung des Gleitstücks 111 relativ zu dem Stator 101 ist.
3 zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel eines räumlich modulierten Magnetfeldmusters von magnetischen Regionen in repräsentativen Regionen 107A, 107B, 107C, 107D und 107E gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Pfeile in den repräsentativen Regionen, die in 3 gezeigt sind, stellen jeweilige Vektoren des magnetischen Moments der Regionen dar, wobei die Pfeile in Übereinstimmung mit der allgemeinen Konvention von den jeweiligen Südpolen zu den jeweiligen Nordpolen zeigen. Der Ausdruck „räumlich moduliertes Magnetfeldmuster” zeigt an, dass ein spezifisches Muster magnetischer Orientierungen in den magnetischen Regionen in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Anordnung ist.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Gleitstück 111 mechanisch frei sein, um im Inneren des Stators 101 in Richtungen 119 (1) gedreht zu werden, um die azimutale Orientierung zu ändern. In anderen Ausführungsformen kann das Gleitstück 111 auf einen speziellen Bereich oder Satz von Werten azimutaler Orientierung eingeschränkt sein. In spezifischen Ausführungsformen kann das Gleitstück 111 durch die speziellen räumlich modulierten Magnetfeldmuster der magnetischen Regionen auf einen speziellen Bereich oder Satz von Werten azimutaler Orientierungen eingeschränkt sein. In spezifischen Ausführungsformen können die Einschränkungen magnetisch, durch die speziellen räumlich modulierten Magnetfeldmuster der magnetischen Regionen, mechanisch aufgezwungen werden; in anderen spezifischen Ausführungsformen können die Einschränkungen z. B. durch einen verkeilten Kanal, oder durch die Geometrie des Stators und des Gleitstücks mechanisch aufgezwungen werden. Es kann z. B. anstelle der Verwendung einer zylindrisch-symmetrischen Geometrie für das Gleitstück und seine Ausnehmung, wie in 1 und 2 gezeigt, eine prismenförmige Geometrie ohne eine kontinuierliche Rotationssymmetrie verwendet werden. 4 zeigt axiale Ansichten eines nicht einschränkenden Beispiels eines prismenförmigen Stators 401 mit einem quadratischen Querschnitt, der ein äußeres Gehäuse 403 und ein inneres Lager 405 für ein entsprechendes Gleitstück 411 aufweist. In diesem Beispiel umfasst der Stator 401 räumlich modulierte Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen wie z. B. in repräsentativen Regionen 407A, 407B und 407C; und auch das Gleitstück 411 enthält räumlich modulierte Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen wie z. B. in repräsentativen Regionen 413A, 413B und 413C. In noch anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Geometrie des Gleitstücks und der Statorausnehmung derart sein, dass überhaupt keine Rotationssymmetrie vorhanden ist, wobei in diesem Fall die azimutale Gleitsück-Stator-Winkelausrichtung fixiert ist, solange das Gleitstück in dem Stator eingesetzt bleibt. Wenn das Gleitstück aus dem Stator entfernbar ist, kann jedoch die azimutale Winkelausrichtung durch Entfernen, Neuorientieren oder Wiedereinsetzen geändert werden.
5 illustriert ein nicht einschränkendes Beispiel einer Kraftkurve 505 für eine Magnetfeder gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Stator 101 und das Gleitstück 111 sind mechanisch frei, um eine axiale Bewegung relativ zueinander entlang einer Achse 117 (1) über einen vordefinierten axialen Bereich in einer Richtung 507 oder in einer Richtung 509 zu erfahren. Das Gleitstück 111 und der Stator 101 weisen eine räumliche Beziehung mit einer magnetischen Wechselwirkung zwischen dem räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen in dem Gleitstück 111 mit dem räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen in dem Stator 101 auf. Die magnetische Wechselwirkung hat die Axialkraftkurve 505 zur Folge, welche eine Funktion der axialen Verschiebung des Gleitstücks 111 relativ zu dem Stator 101 ist. Die axiale Kraft 505 ist in Übereinstimmung mit einer Kraftachse 501 gegen eine Axialverschiebungsachse 503 aufgetragen. Die genaue Form der Kraftkurve 505 ist von den spezifischen Eigenschaften der räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen abhängig. In diesem nicht einschränkenden Beispiel zeigt ein Abschnitt 515 eine relativ konstante Kraft über einen Abschnitt des Verschiebungsbereiches und ein anderer Abschnitt 517 zeigt eine andere relativ konstante Kraft über einen anderen Abschnitt des Verschiebungsbereiches. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen verschiedene Kraftkurven vor, indem sie verschiedene räumlich modulierte Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen in dem Gleitstück und/oder Stator aufweisen.
6A ist eine axiale Ansicht, welche eine Magnetfeder gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, die verschiedene Kraftkurven in derselben Magnetfeder vorsieht, welche gewählt werden können, indem das Gleitstück in verschiedene vorbestimmte Winkelpositionen relativ zu der Winkelposition des Stators gedreht wird. Ein Stator 601 weist eine Indexmarkierung 609 in einer Winkelposition und eine andere Indexmarkierung 617 in einer anderen Winkelposition auf. Ein Gleitstück 611 weist einen Zeiger 615 auf, der eine azimutale Winkelausrichtung mit der Indexmarkierung 609 zeigt, sodass repräsentative magnetische Bereiche 613A, 613B und 613C des Gleitstücks 611 mit repräsentativen magnetischen Bereichen 607A, 607B bzw. 607C des Stators 601 ausgerichtet sind. 6B ist eine axiale Ansicht, welche die Magnetfeder von 6A illustriert, aber mit einem azimutal gedrehten Gleitstück 611, sodass der Zeiger 615 eine azimutale Winkelausrichtung mit der Indexmarkierung 617 zeigt, wobei repräsentative magnetische Bereiche 613A, 613B und 613C des Gleitstücks 111 nicht mit repräsentativen magnetischen Bereichen 607A, 607B bzw. 607C des Stators 601 ausgerichtet sind. Stattdessen ist ein anderer Satz von magnetischen Regionen 623A, 623B und 623C auf dem Gleitstück 611 mit dem Satz von magnetischen Regionen 607A, 607B bzw. 607C ausgerichtet. 7 illustriert nicht einschränkende Beispiele einer Kraftkurve 711, die einer azimutalen Gleitstück-Stator-Winkelverschiebung von 6A entspricht, und einer Kraftkurve 713, die der azimutalen Gleitstück-Stator-Winkelverschiebung von 6B entspricht. Die beiden Kurven 711 und 713 sind in Übereinstimmung mit einer Kraftachse 701 gegen eine Axialverschiebungsachse 703 für eine Verschiebung in einer Richtung 619 aufgetragen.
Eine einzige Magnetfeder gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann verschiedene Feder-Kennlinien für eine spezielle Anwendung einfach dadurch bereitstellen, dass das Gleitstück in eine andere Position relativ zu dem Stator gedreht wird. Da die Rotation relativ zu dem Gleitstück erfolgt, kann diese Ausführungsform in einer Ausgestaltung verwendet werden, in welcher das Gleitstück eine feststehende Drehposition aufweist, und es ist der Stator, der stattdessen gedreht wird, um die Feder-Kennlinien auszuwählen.
Während hierin bestimmte Merkmale der Erfindung illustriert und beschrieben wurden, werden Fachleuten nun viele Abwandlungen, Substitutionen, Änderungen und Äquivalente einfallen. Es sei daher angemerkt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken sollen, welche innerhalb des wahren Geistes der Erfindung liegen.

Claims

Magnetfeder, umfassend: einen Stator mit einem ersten räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen; und ein Gleitstück mit einem zweiten räumlich modulierten Magnetfeldmuster von magnetischen Regionen; wobei der Stator und das Gleitstück mechanisch eingeschränkt sind, um eine räumliche Beziehung aufzuweisen, sodass: das Gleitstück und der Stator mechanisch frei sind, um eine axiale Bewegung relativ zueinander entlang einer vordefinierten Achse über einen vordefinierten axialen Bereich zu erfahren, die eine axiale Verschiebung des Gleitstücks und des Stators relativ zueinander zur Folge hat; das erste räumlich modulierte Magnetfeldmuster und das zweite räumlich modulierte Magnetfeldmuster magnetisch in Wechselwirkung stehen, um eine magnetische Wechselwirkung in Übereinstimmung mit der räumlichen Beziehung und der axialen Verschiebung aufzuweisen, sodass eine axiale Kraft, welche aus der magnetischen Wechselwirkung entsteht, zwischen dem Stator und dem Gleitstück vorhanden ist; und die axiale Kraft zwischen dem Stator und dem Gleitstück eine Funktion der axialen Verschiebung des Gleitstücks und des Stators relativ zueinander entlang der vordefinierten Achse innerhalb des vordefinierten axialen Bereiches ist.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei das erste modulierte Magnetfeldmuster des Stators axial moduliert ist.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei das erste modulierte Magnetfeldmuster des Stators azimutal moduliert ist.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei das zweite modulierte Magnetfeldmuster des Gleitstücks axial moduliert ist.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei das zweite modulierte Magnetfeldmuster des Gleitstücks azimutal moduliert ist.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei der Stator und das Gleitstück mechanisch frei sind, um eine azimutale Winkelverschiebung relativ zueinander mit zumindest zwei verschiedenen azimutalen Winkelverschiebungen zu erfahren, sodass die axiale Kraft, die der axialen Bewegung des Gleitstücks und des Stators relativ zueinander zugehörig ist, für die zumindest zwei verschiedenen azimutalen Winkelverschiebungen verschieden ist.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei der Stator und das Gleitstück eingeschränkt sind, eine azimutale Winkelverschiebung relativ zueinander zu erfahren.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei der Stator und das Gleitstück durch die magnetische Wechselwirkung eingeschränkt sind, eine azimutale Winkelverschiebung zu erfahren.
Magnetfeder nach Anspruch 7, wobei der Stator und das Gleitstück mechanisch eingeschränkt sind, eine azimutale Winkelverschiebung zu erfahren.
Magnetfeder nach Anspruch 9, wobei der Stator und das Gleitstück durch eine Anordnung mechanisch eingeschränkt sind, die aus einer Gruppe gewählt ist, welche aus: einem verkeilten Kanal; und einer prismenförmigen Geometrie besteht, welche keine rotatorische Symmetrie aufweist.