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Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, insbesondere für eine Kolbenpumpe, mit einer ersten elektromagnetischen Antriebseinrichtung, einer zweiten elektromagnetischen Antriebseinrichtung und einem mittels der Antriebseinrichtungen in axialer Richtung verlagerbaren Antriebskolben. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kolbenpumpenanordnung.
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Stand der Technik
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Der Linearantrieb verfügt über die beiden elektromagnetischen Antriebseinrichtungen und den Antriebskolben, welche in axialer Richtung mittels der Antriebseinrichtungen verlagerbar ist. Dabei kann mithilfe der ersten elektromagnetischen Antriebseinrichtung eine Verlagerung des Antriebskolbens in eine erste Richtung und mithilfe der zweiten elektromagnetischen Antriebseinrichtung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewirkt werden, indem die jeweilige Antriebseinrichtung ein Magnetfeld erzeugt. Der Linearantrieb kann besonders vorteilhaft als Antrieb einer Kolbenpumpe eingesetzt werden.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die
DE 30 33 684 A1 bekannt, welche eine Kolbenpumpe mit elektromagnetischem Antrieb beschreibt. Der Kolben der Kolbenpumpe ist dabei als durchbohrter Zylinder aus ferromagnetischem Material hoher Remanenz und Koerzitivkraft ausgeführt und permanent axial magnetisiert. Er bewegt sich in einer Laufbüchse aus unmagnetischem Material zwischen den Polen von zwei koaxial gestalteten Elektromagneten unter dem Einfluss eines Erregerstroms hin und her. Der magnetische Kreis ist jeweils über ein gemeinsames, radial zur Mitte des Kolbens gerichtetes Kraftlinienleitstück geschlossen, wobei vorzugsweise ein in der axialen Längsbohrung des Kolbens befindliches Ventil für eine einseitig gerichtete Strömung sorgt.
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Häufig ist der Einsatz eines derartigen elektromagnetischen Linearantriebs jedoch nur mit hohem Aufwand und hohen Materialkosten, insbesondere aufgrund eines häufig notwendigen hochenergetischen Permanentmagnetrings, möglich, weil zum einen die Kraft- und/oder die maximal erzielbare Hubfrequenz des Linearantriebs nicht ausreichend sind und zum anderen der Linearantrieb im Vergleich zu einem rotierenden Elektromotor, der den Pumpenkolben exzentrisch betätigt, eine höhere Stromaufnahme aufweist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung des Linearantriebs für eine Kolbenpumpe in einem Fahrzeugregelsystem, insbesondere in einem Fahrerassistenzsystem, problematisch. In diesem kommen daher häufig Kolbenpumpen zum Einsatz, welche den vorstehend beschriebenen rotierenden Elektromotor aufweisen, welcher den Pumpenkolben mittels eines Exzenters exzentrisch betätigt. Dies bedeutet jedoch, dass der Volumenstrom des mittels der Kolbenpumpe geförderten Fluids lediglich über die Drehzahl des Elektromotors, also über die Frequenz der exzentrischen Betätigung, einstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Linearantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist dagegen den Vorteil auf, dass sowohl die Frequenz als auch der Hub der Verlagerung des Antriebskolbens wählbar ist. Zudem weist er einen im Vergleich zu bekannten Linearantrieben geringen Energiebedarf auf und stellt dennoch eine ausreichend große Kraft für die Betätigung der Kolbenpumpe bereit. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung jeweils als Reluktanzantriebseinrichtung ausgebildet sind, wobei jede der Reluktanzantriebseinrichtungen einen Stator mit einer den Antriebskolben in Umfangsrichtung umgreifenden Spulenwicklung und einen Spulenkern aufweist, der ein in radialer Richtung zu dem Antriebskolben hin offene Spulenaufnahme für die Spulenwicklung aufweist. Wie bereits vorstehend erläutert, sind die beiden Antriebseinrichtungen dazu ausgebildet, den Antriebskolben in vorzugsweise gegenüberliegende Richtungen zu verlagern. Entsprechend kann die erste Antriebseinrichtung eine Kraft in die erste Richtung und die zweite Antriebseinrichtung eine Kraft in die zweite Richtung, jeweils auf den Antriebskolben wirkend, erzeugen. Die Antriebseinrichtungen sind nun als Reluktanzantriebseinrichtungen ausgebildet.
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Unter einer Reluktanzantriebseinrichtung ist insbesondere im Wesentlichen eine Antriebseinrichtung zu verstehen, bei welcher ausschließlich der Stator, nicht jedoch der Rotor beziehungsweise der Antriebskolben, bestromt wird und bei welcher bevorzugt kein Permanentmagnet notwendig ist. Entsprechend weist der Stator die Spulenwicklung beziehungsweise zumindest eine Spulenwicklung auf. Die Spulenwicklung ist dem Spulenkern zugeordnet beziehungsweise nimmt diesen wenigstens bereichsweise in sich auf, sodass bei einer Bestromung der Spulenwicklung ein magnetischer Fluss in dem Spulenkern auftritt. Die Spulenwicklung ist nun derart angeordnet, dass sie den Antriebskolben in Umfangsrichtung – bezogen auf eine Längsmittelachse des Antriebskolbens – umgreift, insbesondere vollständig umgreift. Zudem soll der Spulenkern die Spulenaufnahme aufweisen, in welcher die Spulenwicklung angeordnet ist. Diese Spulenaufnahme ist in radialer Richtung hin zu dem Antriebskolben offen. Die Öffnung der Spulenaufnahme ist also auf der dem Antriebskolben zugewandten Seite des Spulenkerns angeordnet.
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Wird nun die Spulenwicklung bestromt, liegt also ein Magnetfeld und mithin ein magnetischer Fluss in dem Spulenkern vor, so versucht dieser, den Antriebskolben beziehungsweise ein der Spulenwicklung zugeordnetes Ankerelement des Antriebskolbens in eine Stellung mit minimaler Reluktanz zu drängen. Diese Stellung liegt beispielsweise vor, wenn – im Querschnitt gesehen – das Ankerelement – in axialer Richtung gesehen – zentriert zu dem Spulenkern angeordnet ist, insbesondere also der (geometrische) Schwerpunkt des Ankerelements mit dem (geometrischen) Schwerpunkt des Spulenkerns zusammenfällt, insbesondere in axialer Richtung. Entsprechend dem Prinzip der Reluktanzantriebseinrichtung besteht das Ankerelement beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material und ist bevorzugt nicht permanent magnetisiert. Vorzugsweise besteht es aus einem weichmagnetischen Material, also aus einem ferromagnetischen Material, welches sich in einem Magnetfeld leicht magnetisieren lässt. Das weichmagnetische Material besitzt beispielsweise eine Koerzitivfeldstärke von höchstens 1.000 A/m. Beispielsweise liegt das ferromagnetische beziehungsweise weichmagnetische Material in Form von Eisen beziehungsweise einer Eisenlegierung vor.
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Insbesondere bei der Verwendung des Linearantriebs zum Antrieb der Kolbenpumpe ergeben sich zahlreiche Vorteile. Zunächst kann ein Pumpenkolben der Kolbenpumpe fest mit dem Antriebskolben verbunden sein, beispielsweise kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig. Zudem kann der Volumenstrom der Kolbenpumpe nun nicht lediglich über die Frequenz der Verlagerung des Antriebskolbens, sondern zusätzlich über deren Hub skaliert werden. Dadurch ergibt sich eine Reduktion der Volumenstromungleichförmigkeit und mithin der dadurch induzierten Geräusche. Weil die Ansteuerung nun mit zwei Freiheitsgraden, nämlich der Frequenz und der Amplitude des Antriebskolbens, möglich ist, können günstige Betriebsbereiche (beispielsweise bezüglich Komfortvarianz und/oder Leistungsvarianz) besser durch eine entsprechende Ansteuerung des Linearantriebs erreicht werden.
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Auch kann der Exzenter entfallen, mittels welchem eine Rotation des Elektromotors in eine oszillierende Bewegung des Pumpenkolbens vorgenommen wird. Unter anderem dadurch ergibt sich eine weitere Geräuschreduktion durch Eliminierung mechanischer Geräuschquellen, beispielsweise Lager, Exzenter und/oder Kommutator. Speziell durch den Entfall des Kommutators, welcher üblicherweise Kohlebürsten enthält, wird zudem eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer erzielt. Als weitere Vorteile sind zu nennen, dass je nach angewandtem Material eine Reduktion von Bauraumbedarf und Gewicht und mithin eine erhöhte Leistungsdichte erreicht werden kann. Auch wird die Anzahl der benötigten Bauteile, beispielsweise Lager, Bürsten und/oder Bürstenträger, deutlich reduziert. Zudem wird die Fertigung vereinfacht. Dies gilt insbesondere für die Statorwicklung und das Ankerelement. Eine aufwändige Kontaktierung eines Ankerelements, wie sie für eine Kommutatormaschine notwendig ist, entfällt. Dadurch ist auch eine bessere Diagnostik in der Fertigung möglich.
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Durch die Ausbildung der Antriebseinrichtungen als Reluktanzantriebseinrichtungen entfallen Permanentmagnete, welche häufig seltene Erden enthalten und mithin teuer sind. Bei entsprechender Auslegung des Linearantriebs kann zudem auf einen mechanischen Anschlag verzichtet werden beziehungsweise dieser durch einen elektromagnetischen Anschlag ersetzt werden. Entsprechend ergibt sich eine Vereinfachung der Regelung und der Betriebsdiagnostik der Kolbenpumpe beziehungsweise des Linearantriebs. Auch sind die Spulenwicklungen des erfindungsgemäßen Linearantriebs mit einem sehr guten Füllfaktor fertigbar. Dieser ermöglicht unter anderem die gute thermische Kopplung der Spulen an den jeweiligen Spulenkern, sodass eine effektive Kühlung beziehungsweise Entwärmung der Spulenwicklung erfolgen kann.
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Die Kolbenpumpe, welche mithilfe des Linearantriebs angetrieben wird, ist zudem äußerst robust. Beispielsweise führt eine Leckage von Fluid nicht zu einem Funktionsausfall der Kolbenpumpe. Auch liegen keine Radiallager und/oder Kohlebürsten vor, welche üblicherweise einem hohen Verschleiß unterworfen sind und entsprechend die Lebensdauer der Kolbenpumpe begrenzen.
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Selbstverständlich können mithilfe des Linearantriebs auch mehr als eine Kolbenpumpe, insbesondere zwei Kolbenpumpen, angetrieben werden. Der Linearantrieb ist bevorzugt derart ausgeführt, dass seine Arbeitspunkte stabil sind, sodass die Bewegung des Antriebskolbens nicht mithilfe von mechanischen Anschlägen begrenzt sein muss. Der Linearantrieb kann zum einen hinsichtlich der Frequenz des Hubs als auch durch die Größe des Hubs eingestellt werden. Ersteres erfolgt durch entsprechende Wahl der Frequenz, mit welcher die Bestromung der Antriebseinrichtungen wechselt. Letzteres kann durch eine Variation der Dauer der Bestromung wunschgemäß eingestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spulenaufnahme in axialer Richtung von zwei, in radialer Richtung hin zu dem Antriebskolben weisenden freien Enden des Spulenkerns begrenzt ist. Auch hier ist die axiale Richtung in Bezug auf die Längsmittelachse des Antriebskolbens zu verstehen. Die beiden freien Enden des Spulenkerns sind also insbesondere in einem Längsschnitt durch den Linearantrieb zu erkennen. Bedingt durch die beiden freien Enden ist der Spulenkern im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet, wobei die beiden Schenkel der U-Form in Form der freien Enden in Richtung des Spulenkerns weisen beziehungsweise in radialer Richtung auf diesen zulaufen. Bevorzugt weisen die beiden freien Enden genau in radialer Richtung auf den Antriebskolben zu, sodass gedachte Verlängerungen der freien Enden beziehungsweise der Schenkel senkrecht auf der Längsmittelachse des Antriebskolbens stehen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Spulenaufnahme als Ringspalt vorliegt oder sich aus mehreren Segmenten, insbesondere Ringspaltsegmenten, zusammensetzt. Im Querschnitt gesehen – bezogen auf die Längsmittelachse des Antriebskolbens – ist die Spulenaufnahme rund beziehungsweise kreisförmig. Dabei kann sie durchgehend ausgebildet sein, also über den gesamten Umfang – wiederum bezogen auf die Längsmittelachse – des Antriebskolbens vorliegen beziehungsweise in dem Spulenkern ausgebildet sein. Alternativ kann sie sich selbstverständlich aus den mehreren Segmenten zusammensetzen, welche beispielsweise als Ringspaltsegmente ausgebildet sind. Die Segmente können zum Beispiel tangential punktsymmetrisch angeordnet sein.
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Das bedeutet, dass die Spulenaufnahme nicht über den gesamten Umfang in dem Spulenkern vorliegt, sondern dass beispielsweise der Spulenkern aus mehreren Teilen besteht, welche in Umfangsrichtung verteilt, insbesondere gleichmäßig verteilt, angeordnet sind. Bevorzugt ist es selbstverständlich vorgesehen, dass das Ankerelement des Antriebskolbens analog beziehungsweise formangepasst zu der Spulenaufnahme ausgebildet ist. Auch das Ankerelement kann also in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet sein und mithin als Ring vorliegen oder sich aus mehreren Segmenten zusammensetzen, welche insbesondere an dem Antriebskolben befestigt sind. Auf diese Weise können die Antriebseinrichtungen derart ausgestaltet sein, dass der magnetische Hauptfluss jeweils den geringsten magnetischen Widerstand erfährt. Sind die mehreren Segmente vorgesehen, so liegen diese in Umfangsrichtung beispielsweise um 180°, 120°, 90°, 60°, 45°, 30° oder 20° zueinander versetzt vor und sind zudem in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, insbesondere gleichmäßig beabstandet. Bevorzugt ist es auch im Fall der zusammengesetzten Spulenaufnahme vorgesehen, dass die Spulenwicklung in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jedem Spulenkern ein an dem Antriebskolben angeordnetes Ankerelement zugeordnet ist. Auf dieses Ankerelement wurde bereits vorstehend eingegangen. Insbesondere besteht das Ankerelement aus dem ferromagnetischen Material und ist nicht permanent magnetisiert. Die Ankerelemente sind an dem Antriebskolben angeordnet beziehungsweise an diesem befestigt, sodass eine mittels des Spulenkerns auf das jeweilige Ankerelement aufgeprägte Kraft auf den Antriebskolben übertragen wird. Bevorzugt ist jedem Spulenkern genau ein Ankerelement zugeordnet, welches jedoch – wie bereits vorstehend ausgeführt – in Umfangsrichtung nicht durchgehend ausgeführt sein muss, wenngleich dies bevorzugt vorgesehen ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Spulenkern dieselbe axiale Erstreckung wie das ihm zugeordnete Ankerelement aufweist. Der Spulenkern kann in U-Form vorliegen und mithin die beiden freien Enden aufweisen, welche in radialer Richtung hin zu dem Antriebskolben weisen. In diesem Fall begrenzen diese beiden freien Enden den Spulenkern in axialer Richtung. Entsprechend weist das dem jeweiligen Spulenkern zugeordnete Ankerelement eine Erstreckung auf, sodass es von einem ersten der freien Enden bis hin zu einem zweiten der freien Enden ragt beziehungsweise in axialer Richtung gesehen mit den beiden voneinander abgewandten Seiten der freien Enden bündig abschließt. Bei anderer Ausgestaltung des Spulenkerns ist seine gesamte axiale Erstreckung zu betrachten. In diesem Fall soll das Ankerelement dieselbe axiale Erstreckung aufweisen.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ankerelement zwei Ankerarme aufweist, die in radialer Richtung den freien Enden des Spulenkerns entgegentreten. Mithin ist auch das Ankerelement im Längsschnitt gesehen U-förmig ausgestaltet, wobei die Schenkel dieser U-Form in radialer Richtung eine entgegengesetzte Orientierung aufweisen wie die freien Enden des Spulenkerns. Bevorzugt sind die freien Enden des Spulenkerns deckungsgleich mit den Ankerarmen des Ankerelements ausgestaltet, weisen also in axialer Richtung, radialer Richtung und/oder umfänglicher Richtung dieselben Abmessungen auf. In zumindest einer Position des Antriebskolbens bilden die freien Enden des Spulenkerns Verlängerungen der beiden Ankerarme des Ankerelements.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Ankerarme in axialer Richtung dieselben Abmessungen aufweisen wie die freien Enden des Spulenkerns. Auf diese Ausgestaltung wurde bereits vorstehend hingewiesen. Dies hat den Vorteil, dass die Stellung des Antriebskolbens, in welcher die minimale Reluktanz für die jeweilige Antriebseinrichtung vorliegt, einfach zu bestimmen ist und derjenigen Stellung entspricht, in welcher die beiden Ankerarme in Deckung mit den freien Enden des Spulenkerns stehen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ankerelemente in axialer Richtung einen größeren Abstand voneinander aufweisen als die Spulenkerne. Entsprechend liegt die Stellung des Antriebskolbens, in welcher die erste Antriebseinrichtung ihre minimale Reluktanz aufweist, beabstandet von der Stellung des Antriebskolbens, in welcher die zweite Antriebseinrichtung ihre minimale Reluktanz aufweist. Durch abwechselndes Bestromen der ersten Antriebseinrichtung und der zweiten Antriebseinrichtung kann mithin eine Verlagerung des Antriebskolbens in entgegengesetzte Richtungen realisiert werden.
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Mit Vorteil kann vorgesehen sein, dass die Ankerelemente derart zueinander angeordnet sind, dass bei Vorliegen einer Überdeckungsstellung eines der Ankerelemente bezüglich des entsprechenden Spulenkerns das jeweils andere Ankerelement aus seiner Überdeckungsstellung herausgedrängt ist. Unter der Überdeckungsstellung ist diejenige Stellung des Ankerelements zu verstehen, bei welcher die Anordnung aus Spulenkern und Ankerelement die geringste Reluktanz aufweist. Anders ausgedrückt soll die Überlappungslänge im Bereich der kleinsten Stelle des Luftspalts maximal sein. Wird eine der Reluktanzantriebseinrichtungen bestromt, so wird das jeweilige Ankerelement in Richtung der Überdeckungsstellung gedrängt. Entsprechend wird eine Kraft bewirkt, welche das Ankerelement der jeweils anderen Reluktanzantriebseinrichtung aus seiner Überdeckungsstellung herausdrängt. Durch abwechselndes Bestromen der Reluktanzantriebseinrichtungen kann mithin eine zyklische Bewegung des Antriebskolbens erzielt werden.
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Vorteilhafterweise bestehen die Spulenwicklungen aus Profildraht, der mit einer großen Packungsdichte gewickelt ist. Auf diese Art und Weise lässt sich ein ausreichend starkes Magnetfeld und mithin eine ausreichend große Kraft des Linearantriebs realisiert werden.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass ein Rückstellfederelement mit dem Antriebskolben wirkverbunden ist. Das Rückstellfederelement dient dem Rückstellen des Antriebskolbens in eine bestimmte Stellung, insbesondere in eine Ausgangsstellung. Die Ausgangsstellung kann beispielsweise einer derjenigen Stellungen des Antriebskolbens entsprechen, in welcher eine der Antriebseinrichtungen ihre minimale Reluktanz aufweist. Alternativ kann jedoch auch eine Stellung als Ausgangsstellung vorgesehen sein, in welcher beide Antriebseinrichtungen nicht in einem Zustand minimaler Reluktanz angeordnet sind.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kolbenpumpenanordnung mit einer einen Pumpenkolben aufweisenden Kolbenpumpe und einem Linearantrieb zur Betätigung des Pumpenkolbens, insbesondere einem Linearantrieb gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei der Linearantrieb eine erste elektromagnetische Antriebseinrichtung, eine zweite elektromagnetische Antriebseinrichtung und einen in axialer Richtung mittels der Antriebseinrichtungen verlagerbaren, mit dem Pumpenkolben wirkverbundenen Antriebskolben aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die erste Antriebseinrichtung und die zweite Antriebseinrichtung jeweils als Reluktanzantriebseinrichtung ausgebildet sind, wobei jede der Reluktanzantriebseinrichtungen einen Stator mit einer den Antriebskolben in Umfangsrichtung umgreifenden Spulenwicklung und einen Spulenkern aufweist, der eine in radialer Richtung zu dem Antriebskolben hin offene Spulenaufnahme der Spulenwicklung aufweist. Auf die Vorteile einer derartigen Ausführung des Linearantriebs und der Kolbenpumpenanordnung wurde bereits eingegangen. Die Kolbenpumpenanordnung und der Linearantrieb können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
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1 eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Linearantriebs,
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2 eine Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des Linearantriebs,
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3 einen Querschnitt durch einen Stator einer Reluktanzantriebseinrichtung des Linearantriebs,
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4 eine schematische Längsschnittdarstellung des Stators des Linearantriebs,
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5 einen Querschnitt durch den Linearantrieb,
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6 einen Längsschnitt durch einen Bereich des Linearantriebs,
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7 einen Querschnitt durch einen Bereich des Linearantriebs,
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8 eine schematische Darstellung eines Statorelements für den Stator des Linearantrieb,
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9 eine schematische Längsschnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform des Linearantriebs mit einer ersten Form eines Spulenkerns und eines Ankerelements,
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10 eine Längsschnittdarstellung durch eine zweite Form des Spulenkerns und des Ankerelements,
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11 eine Längsschnittdarstellung durch eine dritte Form des Spulenkerns und des Ankerelements, und
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12 eine Längsschnittdarstellung durch eine vierte Ausführungsform des Spulenkerns und des Ankerelements.
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Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Linearantrieb 1 entlang einer Längsmittelachse 2 eines in axialer Richtung verlagerbaren Antriebskolbens 3. Der Antriebskolben 3 ist an einem Gehäuse 4 des Linearantriebs 1 gelagert. Zu diesem Zweck sind beispielsweise Radiallager 5 in Form von Führungsringen vorgesehen. Zusätzlich können Dichtringe 6 vorgesehen sein, welche fluiddichtend sowohl mit dem Gehäuse 4 als auch mit dem Antriebskolben 3 zusammenwirken. Zwischen dem Dichtring 6 und dem Radiallager 5 kann jeweils zusätzlich ein Stützring 7 vorgesehen sein, der dem Vorbeugen von Spaltextrusion dient. Weiter verfügt der Linearantrieb 1 über eine erste elektromagnetische Antriebseinrichtung 8 und eine zweite elektromagnetische Antriebseinrichtung 9. Diese sind jeweils als Reluktanzantriebseinrichtung ausgebildet und weisen jeweils einen Stator 10 beziehungsweise 11 mit einer Spulenwicklung 12 beziehungsweise 13 auf.
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Die Spulenwicklung 12 beziehungsweise 13 ist in einer Spulenaufnahme 14 beziehungsweise 15 des Stators 10 beziehungsweise 11 angeordnet. Jedem Stator 10 und 11 ist ein Ankerelement 16 beziehungsweise 17 zugeordnet. Die Ankerelemente 16 und 17 bestehen aus einem ferromagnetischen Material. Sie sind mit dem Antriebskolben 3 wirkverbunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies über einen Ankerträger 18, der bevorzugt aus einem amagnetischen beziehungsweise magnetisch passiven Material besteht. Der Ankerträger 18 ist unmittelbar an dem Antriebskolben 3 befestigt und erstreckt sich in axialer Richtung gesehen durch eine zentrale Ausnehmung 19 der Statoren 10 und 11 hindurch. Der Ankerträger 18 kann selbstverständlich auch Bestandteil des Antriebskolbens 3 sein. Beispielsweise ist er mit diesem materialeinheitlich ausgestaltet.
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Für den Ankerträger 18 und den Antriebskolben 3 sind mehrere Ausführungsformen denkbar. Zum einen können sowohl der Antriebskolben 3 als auch der Ankerträger 18 aus einem magnetischen Material bestehen. Dies hat den Nachteil einer größeren Masse, wodurch die Schwingungsfrequenz und die Systemdynamik reduziert sind und zusätzliche Eisenverluste hervorgerufen werden. Als Vorteil ist zu nennen, dass die Flussdichte im Stator 10 beziehungsweise 11 reduziert wird, sodass insgesamt eine Reduktion der Eisenverluste und mithin des Aktorstroms bewirkt wird. In einer weiteren Ausgestaltung bestehen sowohl der Antriebskolben 3 als auch der Ankerträger 18 aus nichtmagnetischem Material. Beispielsweise reduziert sich bei einer Verwendung von Aluminium die bewegte Masse. Hierdurch ist eine höhere Betriebsfrequenz möglich und die Aktordynamik steigt. Allerdings sind wiederum größere Eisenverluste in den Statoren 10 und 11 zu verzeichnen, was zu größeren Phasenströmen führt. Als Kompromiss kann eine Ausführungsform angesehen werden, bei welcher der Antriebskolben 3 aus einem magnetischen Material und der Ankerträger 18 aus einem nichtmagnetischen Material besteht.
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Die Statoren 10 und 11 werden jeweils von einem Spulenkern 20 beziehungsweise 21 gebildet, welcher die Spulenaufnahme 14 beziehungsweise 15 aufweist. Die Spulenaufnahmen 14 und 15 sind dabei jeweils in radialer Richtung hin zu dem Antriebskolben 3 beziehungsweise dem Ankerträger 18 offen. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass jeder Spulenkern 20 und 21 zwei freie Enden 22 und 23 aufweist, welche die Spulenaufnahme 14 und 15 in axialer Richtung einschließen, diese also in axialer Richtung begrenzen. Dazu verfügt jedes Ankerelement 16 und 17 über zwei Ankerarme 24 und 25, die in radialer Richtung den freien Enden 22 und 23 der Spulenkerne 20 und 21 entgegentreten. Die Spulenkerne 20 und 21 weisen dabei dieselbe axiale Erstreckung auf wie das dem jeweiligen Spulenkern 20 beziehungsweise 21 zugeordnete Ankerelement 16 beziehungsweise 17.
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Für jedes der Ankerelemente 16 und 17 kann dem Antriebskolben 3 eine Stellung zugeordnet werden, in welcher das Ankerelement 16 beziehungsweise 17 gegenüber dem zugeordneten Spulenkern 20 oder 21 eine Stellung mit minimaler Reluktanz einnimmt. Diese Stellung wird als Überdeckungsstellung des jeweiligen Ankerelements 16 beziehungsweise 17 bezeichnet. Die Ankerelemente 16 und 17 sind nun derart zueinander angeordnet, dass bei Vorliegen einer Überdeckungsstellung eines der Ankerelemente 16 und 17 das jeweilige andere Ankerelement 16 beziehungsweise 17 aus seiner Überdeckungsstellung herausgedrängt ist. Befindet sich eines der Ankerelemente 16 und 17 in seiner Überdeckungsstellung und wird die Bestromung der ihm zugeordneten Spulenwicklung 12 beziehungsweise 13 eingestellt und stattdessen die andere Spulenwicklung 13 beziehungsweise 12 bestromt, so wird das jeweils andere Ankerelement 17 beziehungsweise 16 in seinen energieoptimalen Zustand, mithin also seine Überdeckungsstellung, gedrängt. Dabei wird das erstgenannte Ankerelement 16 beziehungsweise 17 aus seiner Überdeckungsstellung herausgedrängt. Durch alternierende Bestromung der beiden Spulenwicklungen 12 und 13 kann somit eine oszillierende Bewegung des Antriebskolbens 3 erzeugt werden. Diese kann durch eine Wirkverbindung beispielsweise auf einen Pumpenkolben einer Kolbenpumpe einer hier nicht dargestellten Kolbenpumpenanordnung übertragen werden.
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In der hier dargestellten Ausführungsform weist das Gehäuse 4 Endstücke 26 auf, welche über Verbindungsstücke 27 ein im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltetes Hüllenstück 28 des Gehäuses 4 zwischen sich halten. Beispielsweise sind die Verbindungsstücke 27 derart ausgestaltet, dass sie zudem dem Halten beziehungsweise Aufnehmen des Radiallagers 5, des Dichtrings 6 und/oder des Stützrings 7 dienen.
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Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Linearantriebs 1. Diese ist grundsätzlich ähnlich zu der bereits beschriebenen Ausführungsform, sodass auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird. Hier ist es nun vorgesehen, auf die Endstücke 26 zu verzichten, sodass das Gehäuse 4 im Wesentlichen aus den Verbindungsstücken 27 und den zwischen diesem gehaltenen Hüllenstück 28 besteht. Das Hüllenstück 28 ist beispielsweise über Schraubverbindungen 29 an den Verbindungsstücken 27 gehalten. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine zuverlässige Zentrierung der Statoren 10 und 11 und/oder ein effizienterer Wärmeabtransport erzielt werden kann.
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Die 3 zeigt einen Querschnitt durch den Linearantrieb 1 im Bereich des Stators 10, welcher in einer alternativen Ausgestaltung vorliegt, die auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ohne Weiteres übertragbar ist. Hier liegt die Spulenaufnahme 14 nicht als Ringspalt vor, sondern setzt sich aus mehreren Segmenten, insbesondere Ringspaltsegmenten, zusammen. Diese werden von Segmenten 30 des Spulenkerns 20 gebildet beziehungsweise sind in diesen vorgesehen. Die Segmente 30 sind hier lediglich teilweise dargestellt. Sie sind gleichmäßig über den Umfang bezüglich der Längsmittelachse 2 verteilt angeordnet, wobei zwischen ihnen jeweils der Verteilungswinkel α vorliegt. Dieser beträgt beispielsweise 20°, 30°, 45°, 60°, 90°, 120° oder 180°.
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Bei allen Varianten sind jedoch die Spulenwicklungen 12 beziehungsweise 13 konzentrisch aufgebaut und liegen insbesondere in Ringform vor, umgreifen also den Antriebskolben 3 beziehungsweise den Ankerträger 18 in Umfangsrichtung vollständig. Dies ermöglicht eine rationelle und schnelle Fertigung mit geringem Widerstand der Spulenwicklungen 12 und 13 und gleichzeitig guten thermischen Eigenschaften. Insbesondere wird auf diese Art und Weise eine ausgeglichene Temperatur innerhalb der Spulenwicklungen 12 und 13 und eine gute thermische Anbindung an den Spulenkern 20 erreicht. Die Segmente 30 und/oder die Spulenkerne 20 liegen beispielsweise in Form von Blechpaketen vor. Diese weisen zahlreiche Einzelbleche auf.
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Die 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Bereich des Linearantriebs im Bereich der Statoren 10 und 11. Hier wird deutlich, dass jeder Stator 10 beziehungsweise 11 aus mehreren Statorelementen 31 und 32 besteht, welche im Bereich einer Kontaktstelle 33 miteinander in Verbindung stehen. Um eine genaue Ausrichtung der Statorelemente 31 und 32 zu erzielen, wird bei einer Montage des Linearantriebs 1 beispielsweise ein Montagedorn 34 verwendet, auf welchen die Statorelemente 31 und 32 in entsprechender Reihenfolge aufgeschoben werden. Auf diese Art und weise wird eine äußerst genaue Positionierung in radialer Richtung erzielt.
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Die 5 zeigt eine Ausgestaltungsmöglichkeit der Spulenkerne 20 und 21, wobei hier lediglich auf ersteren eingegangen wird. Es wird deutlich, dass sich der Spulenkern 20 aus mehreren Spulenkernsegmenten 35 zusammensetzt, welche in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Zudem ist deutlich zu erkennen, dass sich jedes Spulenkernsegment 35 aus einer Vielzahl von Blechen 36 zusammensetzt, von welchen hier lediglich einige exemplarisch gekennzeichnet sind.
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Die 6 zeigt einen Längsschnitt durch den Linearantrieb 1, wobei die Spulenkerne 20 und 21 zu erkennen sind. Auch hier ist zu erkennen, dass die Spulenkerne 20 und 21 aus zahlreichen Blechen 36 bestehen, die in mehreren Blechpaketen 37 aufgeteilt sind. Jedes Blechpaket 37 ist über eine Isolation 38 in eine Halterung 39 eingebettet. Zusätzlich können Dämpfungselemente 40 zur Schwingungsdämpfung vorgesehen sein. Durch diese versetzte Anordnung reduziert sich die magnetische Kopplung der Statorphasen. Dadurch können bessere Betriebseigenschaften erzielt werden.
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Die 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Spulenkerne 20 und 21, wobei sich jeder der Spulenkerne 20 und 21 aus mehreren Spulenkernsegmenten 35 (Spulenkern 20) beziehungsweise 41 (Spulenkern 21) zusammensetzt. Die Spulenkernsegmente 35 beziehungsweise 41 sind um den Verteilungswinkel α gegeneinander versetzt über den Umfang des Antriebskolbens 3 beziehungsweise des Ankerträgers 18 hinweg verteilt angeordnet. Hier wird deutlich, dass die Spulenkernsegmente 35 und 41 aus einzelnen Blechen 36 besteht, welche lediglich exemplarisch angedeutet sind. Diese Bleche sind jedoch im Unterschied zu der anhand der 5 beschriebenen Ausführungsform in radialer Richtung bezüglich der Längsmittelachse 2 angeordnet.
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Die 8 zeigt exemplarisch die Statorelemente 31 und 32, welche zum Herstellen des Stators 10 beziehungsweise 11 miteinander verbunden werden. Die Statorelemente 31 und 32 können beispielsweise aus einem Faserverbundwerkstoff oder einem Pulververbundstoff, insbesondere Eisenpulververbundstoff, bestehen.
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Die 9 zeigt eine Längsschnittdarstellung durch den Linearantrieb, wobei die Spulenkerne 20 und 21 sowie die Ankerelemente 16 und 17 in einer ersten Form vorliegen. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Spulenkerne 20 und 21 sowie die Ankerelemente 16 und 17 zwar wie vorstehend beschrieben auf einer U-Form aufbauen, jedoch diese um zusätzliche Erweiterungen ergänzen. So sind an den freien Enden 22 und 23 jeweils Verdickungen 42 vorgesehen, welche sich in axialer Richtung von der Spulenwicklung 12 beziehungsweise 13 weg erstrecken. Auch die Ankerarme 24 und 25 weisen analog ausgeführte Verdickungen 43 auf.
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Die 10 bis 12 zeigen weitere Formen der Spulenkerne 20 und 21 sowie der Ankerelemente 16 und 17, wobei exemplarisch jeweils lediglich auf das Ankerelement 16 und den Spulenkern 20 eingegangen wird. Für alle Ausführungsbeispiele ist erkennbar, dass die freien Enden 22 beziehungsweise 23 dieselbe axiale Erstreckung aufweisen wie die Ankerarme 24 und 25. Genauer gesagt, weist das freie Ende 22 auf seiner dem Ankerarm 24 zugewandten Seite dieselbe axiale Erstreckung auf wie der Ankerarm 24 und das freie Ende 23 auf seiner dem Ankerarm 25 zugewandten Seite dieselbe axiale Erstreckung wie der Ankerarm 25.
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Im Falle der 10 ist keine Verdickung vorgesehen, vielmehr weisen die freien Enden 22 und 23 in axialer Richtung gesehen eine gleichmäßige Stärke auf. Im Falle der 11 weisen die freien Enden 22 und 23 jeweils die Verdickung 42 auf, welche jedoch in axialer Richtung nach innen weist, also in Richtung der Spulenwicklung 12. Mithin wird mithilfe der Verdickungen 42 ein Halten der Spulenwicklung 12 in radialer Richtung erreicht. Die 12 zeigt schließlich eine weitere Form des Spulenkerns 20 und des Ankerelements 16, wobei hier sowohl die freien Enden 22 und 23 die Verdickung 42 als auch die Ankerarme 24 und 25 die Verdickung 43 aufweisen. Die Verdickungen 42 und 43 weisen jeweils in axialer Richtung nach außen, also von der Spulenwicklung 12 weg.
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Der vorstehend beschriebene Linearantrieb 1 kann insbesondere für Anwendungen eingesetzt werden, die einen besonders leisen Betrieb voraussetzen, bei gleichzeitig geringem Bauraum. Insbesondere kann er zum Antrieb der Kolbenpumpe verwendet werden, beispielsweise wenn hohe Drücke erforderlich sind. Auch eine Unterdruckpumpe kann mithilfe des Linearantriebs 1 angetrieben werden. Insbesondere findet der Linearantrieb 1 beziehungsweise die mit ihm angetriebene Kolbenpumpe Einsatz in Bremsregelsystemen, beispielsweise ABS-, ESP- und/oder EHB-Bremsregelsystemen, im Bereich der Kraftstoffförderung, beispielsweise bei einer Benzindirekteinspritzung, im Bereich von Werkzeugen, falls Hochdruckerzeugung notwendig ist, beispielsweise bei Farbsprühgeräten und/oder im Bereich von Haushaltsgeräten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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