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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator, welcher eine Spule, einen innerhalb der Spule von einer Ausgangslage in eine Endlage und umgekehrt verschiebbaren Anker, ein Spulengehäuse, welches die Spule zumindest teilweise umschließt, sowie einen Rastmechanismus zur Fixierung des Ankers in seiner Ausgangslage umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben des elektromagnetischen Aktuators.
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Elektromagnetische Aktuatoren sind bekannt, u.a. auch unter der Bezeichnung elektromagnetischer oder elektromechanischer Aktor, elektromagnetischer Steller oder Stellmotor. Elektromagnetische Aktuatoren, die im Wesentlichen aus einer Spule, einem Spulengehäuse und einem verschiebbaren Anker bestehen, werden beispielsweise als Schaltmagnete eingesetzt, wobei nur zwei Schaltstellungen, eine Ausgangslage und eine Endlage, möglich sind. In der Ausgangslage oder Ruhelage ist die Spule des Aktuators in der Regel stromlos, während die Spule zum Erreichen und Halten der Endlage bestromt wird. Die Stromstärke des in der Spule fließenden Stromes richtet sich dabei nach der für den Betrieb des Schaltmagneten aufzubringenden Magnetkraft. Es ist ferner bekannt, dass elektromagnetische Aktuatoren Rastmechanismen aufweisen, welche das Stellglied, d.h. den in der Spule verschiebbaren Anker in seiner Ausgangs- und/oder Endlage fixieren. Beispielsweise sind derartige Rastmechanismen als elastische Schnappverbindungen oder Kugelfallen ausgebildet, wobei beim Lösen der bekannten Rastmechanismen zusätzliche Kräfte zu überwinden sind, bevor der Anker in die gewünschte Lage verstellt werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektromagnetische Aktuatoren der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rastmechanismus durch Bestromung der Spule lösbar ist. Die Bestromung der Spule hat zur Folge, dass ein Magnetfeld aufgebaut und auf den im Magnetfluss angeordneten Rastmechanismus eine Magnetkraft ausgeübt wird, welche ein Lösen des Rastmechanismus bewirkt – damit wird die Verschiebbarkeit des Ankers ermöglicht. Somit sind keine zusätzlichen Maßnahmen, z.B. zusätzliche Aktoren für das Lösen des Rastmechanismus erforderlich.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rastmechanismus ein bewegliches, als Ankerplatte ausgebildetes Feststellelement auf. Die Ankerplatte befindet sich – wie der Begriff Anker zum Ausdruck bringt – im Bereich des Magnetflusses der bestromten Spule, sodass eine Magnetkraft auf die Ankerplatte in Richtung Lösen des Rastmechanismus ausgeübt wird. Die bewegliche Ankerplatte fungiert dabei als Feststellelement, welches die Verschiebung des Ankers entweder blockiert oder freigibt.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Feststellelement als Klemmelement ausgebildet, welches durch ein Federelement belastet wird. Das Federelement drückt das Klemmelement in eine so genannte Klemmstellung, in welcher die Bewegung des Ankers blockiert ist. Bei Bestromung der Spule überwindet die Magnetkraft die Federkraft, sodass die Blockade aufgehoben ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen das Klemmelement eine Durchtritts- oder Klemmöffnung und der Anker einen die Klemmöffnung durchsetzenden Stößel auf. Bei einer Schräglage des Klemmelements, d.h. einer Verkippung des Stößels gegenüber dem Klemmelement tritt eine Klemmung und damit eine Blockade der Ankerbewegung auf.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Klemmelement schwenkbar am Spulengehäuse angeordnet, wobei sich die Schwenkachse außerhalb der Spulenachse befindet; das Klemmelement ist somit als einseitig angelenkte Klappe oder als sog. Klappanker ausgebildet, welcher durch die Federkraft in eine die Ankerbewegung blockierende Schräglage oder durch die Magnetkraft in eine senkrecht zur Spulenachse angeordnete, die Ankerbewegung frei gebende Lage gebracht wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Anker und dem Spulengehäuse eine Rückstellfeder angeordnet. Die Rückstellfeder stützt sich einerseits am Spulengehäuse und andererseits an einer Stirnfläche des Ankers ab, sodass dieser bei stromloser Spule in seine Ausgangslage gedrückt wird.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Verfahren zum Betreiben des elektromagnetischen Aktuators eine stufenweise Bestromung der Spule vorgesehen, wobei zum Lösen des Rastmechanismus ein Strom geringer Stromstärke durch die Spule fließt, während zum Verschieben des Ankers aus seiner Ausgangslage in seine Endlage ein Strom mit größerer Stromstärke die Spule beaufschlagt. Der Verschiebung des Ankers geht also das Lösen des Rastmechanismus, d.h. das Beiklappen der Ankerplatte voraus, wofür nur ein relativ geringer Strom erforderlich ist, d.h. eine Magnetkraft, welche die zwischen dem Klemmelement und dem Spulengehäuse wirkende Federkraft überwindet. Solange die Spule bestromt ist, auch mit höherer Stromstärke, bleibt das Klemmelement beigeklappt. Im stromlosen Zustand drückt die Rückstellfeder den Anker in seine Ausgangsposition, und das Federelement drückt das Klemmelement in seine abgeklappte Klemmstellung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
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1 einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator in Ausgangslage mit stromloser Spule und angeklapptem Klemmelement,
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2 den Aktuator mit bestromter Spule in Ausgangslage und beigeklapptem Klemmelement,
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3 den Aktuator mit bestromter Spule in Endlage und
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4 ein Strom/Zeit-Diagramm für die Bestromung der Spule.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen elektromagnetischen Aktuator 1, im Folgenden auch kurz Aktuator 1 genannt, mit einer Spule 2, einem Anker 3 sowie einem Spulengehäuse 4. Das Spulengehäuse 4, welches die Spule 2 aufnimmt, besteht aus einem magnetisch leitenden, vorzugsweise ferromagnetischem Material und dient der Verstärkung des Magnetflusses; das Spulengehäuse 4 weist einen äußeren Mantel 4a, ein inneres geteiltes Rohr 4b, eine erste Stirnseite 4c sowie eine zweite Stirnseite 4d auf. Der Anker 3, welcher innerhalb der Spule 2 und des geteilten Rohres 4b in Längsrichtung verschiebbar angeordnet ist, weist einen Stößel 3a auf, welcher die erste Stirnseite 4c durchsetzt und aus dem Spulengehäuse 4 herausragt. An der ersten Stirnseite 4c ist ein als Ankerplatte ausgebildetes Feststell- oder Klemmelement 5 schwenkbar angeordnet, d. h. mittels eines Drehgelenks 6 am Spulengehäuse 4 befestigt. Das Klemmelement 5 bildet somit eine um das Drehgelenk 6 schwenkbare Klappe oder einen sog. Klappanker 5 und weist in seinem mittleren Bereich eine Durchtrittsöffnung 5a auf, welche vom Stößel 3a des Ankers 3 durchsetzt wird. Zwischen der ersten Stirnwand 4c und dem schwenkbaren Klemmelement 5 ist ein als Druckfeder ausgebildetes Federelement 7 angeordnet. Eine Rückstellfeder 8 stützt sich einerseits am Anker 3 und andererseits an der ersten Stirnwand 4c ab.
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Der Aktuator 1 bzw. der Anker 3 befindet sich gemäß Darstellung in 1 in seiner Ausgangslage, d.h. er wird durch die Rückstellfeder 8 gegen die Innenseite der zweiten Stirnwand 4d, die hier als erster Anschlag wirkt, gedrückt. Die Spule 2 ist nicht bestromt, d.h. stromlos; ein magnetisches Feld ist somit nicht aufgebaut. Das Federelement 7 drückt das schwenkbare Klemmelement 5 nach außen, d.h. von der ersten Stirnwand 4c weg in eine abgeklappte Schrägstellung. In dieser Stellung tritt eine Klemmung zwischen dem Stößel 3a und der Durchtrittsöffnung 5a auf, sodass der Stößel 3a infolge der Klemmwirkung in seiner Längsbewegung blockiert ist. Die dargestellte Ausgangslage des Ankers 3 ist somit durch das Klemmelement 5 fixiert.
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2 zeigt den Aktuator 1 ebenfalls in seiner Ausgangslage – wie in 1 dargestellt – wobei die Spule 2 allerdings bestromt ist, d.h. sie wird von einem Strom I1 durchflossen. Der hieraus resultierende Magnetfluss 9 ist schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet. Dabei liegt auch das schwenkbare Klemmelement 5, welches in 2 beigeklappt ist und an der ersten Stirnseite 4c parallel anliegt, im Magnetfluss 9. Der Magnetfluss 9 bewirkt eine Anziehung des als Klappanker ausgebildeten Klemmelements 5, wobei die Druckkraft der Feder 7 (1) durch die Magnetkraft überwunden wird. Aufgrund des beigeklappten Klemmelements 5 ist die Klemmung des Stößels 3a in der Durchtrittsöffnung 5a aufgehoben, und der Anker 3 ist nunmehr frei beweglich.
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3 zeigt den Aktuator 1 in seiner Endlage, d.h. der Anker 3 ist – in der Zeichnung – nach rechts verschoben und liegt an der Innenseite der ersten Stirnwand 4c, welche hier einen zweiten Anschlag bildet, an; der Anker 3 hat also in 3, verglichen mit 2, einen Arbeitshub zurückgelegt, und der Stößel 3c ist um den Arbeitshub weiter aus dem Spulengehäuse 4 herausgetreten. Die Spule 2 ist weiterhin bestromt, wie auch der durch gestrichelte Linien angedeutete Magnetfluss 9 zeigt, jedoch mit einem höheren Strom I2, sodass eine Magnetkraft auf den Anker 3 ausgeübt wird, welche einerseits die Kraft der Rückstellfeder 8 und einen am Stößel 3c wirkenden Widerstand (Arbeitslast) überwindet. Der Klappanker 5 ist weiterhin beigeklappt, sodass der Anker 3 in Längsrichtung verschiebbar ist.
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4 zeigt ein Diagramm, bei welchem der in der Spule 2 (2 und 3) fließende Strom I über der Zeit t aufgetragen ist. Wie oben ausgeführt, wird die Spule 2 zunächst von einem Strom I1 mit geringerer Stromstärke A1 durchflossen, sodass auf das Klemmelement 5 eine Magnetkraft ausgeübt wird, welche zur Überwindung der Federkraft des Federelements 7 ausreichend ist. Mit dem kleineren Strom I1 wird die Klemmung – wie in 1 dargestellt – aufgehoben. Nach Aufhebung der Klemmung gemäß 2 wird die Spule 2 von einem Strom I2 mit einer höheren Stromstärke A2 durchflossen, d.h. A2 > A1. Durch den höheren Strom I2 wird eine stärkere Magnetkraft auf den Anker 3 ausgeübt, der somit in seine in 3 dargestellte Endlage verschoben und dort gehalten wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromagnetischer Aktuator
- 2
- Spule
- 3
- Anker
- 3a
- Stößel
- 4
- Spulengehäuse
- 4a
- äußerer Mantel
- 4b
- inneres Rohr
- 4c
- erste Stirnseite
- 4d
- zweite Stirnseite
- 5
- Klemmelement (Klappanker)
- 5a
- Durchtrittsöffnung
- 6
- Drehgelenk
- 7
- Federelement
- 8
- Rückstellfeder
- 9
- Magnetfluss
- I
- Strom
- I1
- erster Strom
- I2
- zweiter Strom
- t
- Zeit
