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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit zumindest einem weichmagnetischen, beweglichen Betätigungselement und zumindest einer, mit einer Energiequelle verbindbaren ersten Spule, in deren aufgrund der Erregung durch die Energiequelle erzeugtem Magnetfeld das bewegliche Betätigungselement aufgrund einer Magnetisierung seines weichmagnetischen Materials durch das Magnetfeld der Spule in eine Vorzugslage bewegbar ist.
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Solche weichmagnetischen beweglichen Betätigungselemente können beispielsweise Läufer oder Rotoren von Elektromotoren oder Anker von Magnetaktoren sein. Diese werden im Magnetfeld der Spule magnetisiert und bewegen sich im Magnetfeld der Spule in eine Vorzugslage, in der die geringste Reluktanz, also der geringste magnetische Widerstand, vorliegt.
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Es gibt viele verschiedene Elektromotor-Typen, von denen solche Typen betrachtet werden sollen, die synchronen Charakter aufweisen. Üblicherweise sind dies die permanent erregte Synchronmaschine und die fremderregte Synchronmaschine, auch in ihren Ausprägungen als BLDC (brushless direct current; bürstenloser Gleichstrommotor). Dazu kommen noch die synchrone Reluktanzmaschine (auch in ihrer Ausprägunq als synchronisierte Asynchronmaschine) und die geschaltete Reluktanzmaschine.
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Zum Verständnis der Funktion von Motoren ist das folgende Modell der Drehmomentbildung hilfreich, obwohl es die Wirklichkeit nur sehr stark vereinfacht wieder gibt. Betrachtet wird ein Motor mit Einzelpolwicklung. Man kann die Drehmomentbildung grob in zwei Komponenten aufteilen. Zum einen wird ein Rotorpol aufgrund der Ströme im Stator in eine Vorzugslage gezogen, zum anderen – im Falle eines permanent erregten oder fremderregten Rotors – von einer ungünstigen Lage weg geschoben. Diese schiebende Komponente entfällt z.B. bei Reluktanzmotoren, da diese keine Erregung haben. Statt geschoben zu werden, würde sich der magnetische Kreis umpolen und der Rotorpol würde wiederrum angezogen werden, was ein negatives Moment bedeuten würde. Daher muss beim geschalteten Reluktanzmotor die Spule abgeschaltet sein, wenn sich der Rotorpol vom jeweiligen Statorpol entfernt.
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Magnetaktoren sollen am Beispiel eines Solenoid-Injektors erläutert werden. Die meisten Solenoid-Injektoren werden nur aktiv geöffnet, zum Schließen wird der Aktivierungsstrom abgeschaltet, das Magnetfeld baut sich ab und eine Feder schließt das Ventil. Man kann den Feldabbau beschleunigen, indem man einen kurzen Gegenstrom zum Abbau der Wirbelströme einprägt. Es gibt Solenoidventile, die aktiv mit Hilfe einer zweiten aktiv bestromten Spule geschlossen werden. Diese haben einen erhöhten Aufwand der Ansteuerelektronik zur Folge. Bei einspuligen Magnetventilen besteht ein zu den Motoren äquivalentes Problem, dass ein Weicheisenteil i.d.R. nur in eine Spule hineingezogen werden kann. Zum Abstoßen würde man einen Permanentmagneten verbauen müssen.
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Bei Motoren kann man entweder auf die schiebende Komponente verzichten (geschalteter Reluktanzmotor, synchroner Reluktanzmotor, synchronisierter Asynchronmotor), was durch eine größere Maschine ausgeglichen werden kann, oder man wählt die permanent erregten oder fremderregten Ausführungen der Synchronmaschine, bei denen Schieben möglich ist. Permanent erregte Synchronmaschinen setzen jedoch meist teure Magnete aus seltenen Erden ein, wenn sie nicht als technisch aufwändige Lösung Flussleitkeile und billigere Ferritmagnete verwenden. Fremderregte Maschinen benötigen eine Übertragungseinrichtung für die Erregerenergie, meist in Form von Schleifringen oder als ringförmiger Transformator.
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Bei Solenoid-Injektoren werden in der Regel Haltestrom und Schließfederkraft zueinander optimiert. Die Schließzeiten bleiben dabei im Vergleich zu den Öffnungszeiten relativ lange.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Eigenschaften eines permanent erregten oder fremderregten Betätigungselements zu erreichen, ohne auf Permanentmagnete oder die Übertragung der Erregerenergie mit Hilfe von Schleifringen oder speziellen Transformatoren zurückgreifen zu müssen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit zumindest einem weichmagnetischen, beweglichen Betätigungselement und zumindest einer, mit einer Energiequelle verbindbaren ersten Spule, in deren aufgrund der Erregung durch die Energiequelle erzeugtem Magnetfeld das bewegliche Betätigungselement aufgrund einer Magnetisierung seines weichmagnetischen Materials durch das Magnetfeld der Spule in eine Vorzugslage bewegbar ist, wobei um das bewegliche Betätigungselement eine zweite Spule gewickelt ist, deren Enden über eine Diode verbunden sind, wobei die Diode derart gepolt verschaltet ist, dass bei einer Magnetisierung des beweglichen Betätigungselement, die es in die Vorzugslage bewegen soll, kein Induktionsstrom fließen kann und bei einer Entmagnetisierung der induzierte Strom zu einer Verzögerung der Entmagnetisierung führt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, einen Teil eines magnetischen Kreises zunächst unbeeinflusst aufmagnetisieren zu lassen, um den darin vorhandenen Fluss anschließend am abmagnetisieren zu hindern. Im Gegensatz zu Ansätzen wie z.B. beim Spaltpoimotor werden nicht beide Flussänderungsrichtungen gleichartig verzögert sondern unterschiedlich beeinflusst, so dass sich ein Gleichrichtungseffekt einstellt. Durch den Gleichrichtungseffekt erhält man im Mittel ein ähnliches Verhalten wie bei einer Fremderregung. Im Gegensatz zu Ansätzen mit einer echten Erregerwicklung benötigt man keine Anschlüsse oder Energieübertragungseinrichtungen wie Schleifringe, Transformatoren oder dergleichen. Das durch die Hilfswicklung beeinflusste Betätigungselement kann insbesondere vollkommen galvanisch isoliert, also z.B. mit Kunststoff umspritzt sein, so dass der Einsatz in aggressiven Medien möglich ist.
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In einer ersten Ausführung ist das weichmagnetische, bewegliche Betätigungselement der Anker eines Magnetaktors Dies hat den Vorteil, dass trotz des weichmagnetischen Ankers dieser nicht nur angezogen sondern auch wieder abgestoßen werden kann, wenn die Dimensionierung der zweiten Spule, des Betätigungsstroms und der Bestromungszeiten richtig aufeinander abgestimmt sind.
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In einer zweiten Ausführung ist das weichmagnetische, bewegliche Betätigungselement ein Pol eines Rotors eines Elektromotors, wobei in einer vorteilhaften Weiterbildung die zumindest eine erste Spule um einen Statorpol des Elektromotors gewickelt ist.
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In besonderen Ausbildungen ist die Anzahl der Statorpole entweder größer oder kleiner als die Anzahl der Pole des Rotors und um jeden Statorpol ist eine erste Spule und um jeden Rotorpol eine zweite Spule gewickelt.
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Bei einem Elektromotor kann auf diese Weise auch ein schiebendes Drehmoment erzeugt werden, da ein Statorpol für eine bestimmte Zeit umgepolt werden kann, wenn ein Rotorpol, den er zuvor angezogen hat, an ihm vorbeiläuft, um diesen nun abzustoßen und ihm einen zusätzlichen schiebenden Impuls zu verleihen.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
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1 eine Prinzipskizze eines Querschnitts durch einen rotationssymmetrischen Magnetaktor,
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2 die Prinzipskizze der 1 mit einem Feldlinienverlauf, wenn der Anker angezogen wird,
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3 die Prinzipskizze der 1 mit einem Feldlinienverlauf, wenn der Anker aufgrund der erfindungsgemäßen zweiten Spule abgestoßen wird,
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4 eine Prinzipskizze eines Reluktanzmotors mit einem konventionellen und einem erfindungsgemäßen Rotorpolpaar,
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5 eine Prinzipskizze mit einem Reluktanzmotors mit 12 Stator- und 10 Rotorpolen und
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6 eine mögliche Verschaltung der ersten und zweiten Spulen des Reluktanzmotors der 5.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Magnetaktors, dessen Funktion und Aufbau anhand einer Prinzipskizze dargelegt wird.
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Bei dem Magnetaktor 1 soll es sich um einen rotationssymmetrischen Aktor handeln, wobei in 1 nur der Querschnitt rechts einer Rotationsachse R dargestellt ist. Der Magnetaktor 1 weist einen Anker 2 auf, der mit einem weichmagnetischen Material gebildet ist und in eine Öffnung eines Eisenrückschlusses 3 hineinragt. Um einen zentralen Schenkel des Eisenrückschlusses 3 ist eine erste Spule 4 gewickelt, die ein Magnetfeld erzeugt, wenn sie mittels einer Energiequelle bestromt wird.
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Die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes verlaufen dabei überwiegend in den magnetischen Werkstoffen des Eisenrückschlusses 3 und des Ankers 2 sowie anfänglich im Luftspalt zwischen dem Anker 2 und dem zentralen Schenkel des Eisenrückschlusses 3. Da der Luftspalt 6 einen wesentlich größeren magnetischen Widerstand aufgrund seiner geringeren Permeabilität hat und das Gesamtsystem einen Zustand mit geringstem magnetischen Widerstand bzw. geringster Reluktanz anstrebt, wird der Anker 2 in die Öffnung des Eisenrückschlusses 3 hineingezogen, um den Luftspalt 6 zu verringern.
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Hierdurch können beispielsweise mittels des Ankers 2 Stößel von z.B. Ventilen oder sonstigen Aktoren betätigt werden, wobei die Bewegung des Ankers 2 üblicherweise gegen eine Federkraft erfolgt, die den Anker 2 in einer Ruhepositon hält bzw. bei Abschalten des magnetischen Feldes diesen wieder in diese Ruheposition bringt. Ein Abstoßen des Ankers 2 durch Umpolen der Energiequelle an der ersten Spule 4 ist nicht möglich, da das weichmagnetische Material des Ankers 2 ebenfalls durch den nun entgegengesetzten magnetischen Fluss umgepolt würde und der Anker 2 daher nach wie vor angezogen werden würde.
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In erfindungsgemäßer Weise ist nun um den Anker 2 eine zweite Spule 5 gewickelt, deren Enden (nicht dargestellt) über eine Diode miteinander verbunden sind. Wenn bei einer Bestromung der ersten Spule 4 ein Magnetfeld im Anker 2 aufgebaut wird, würde dessen Änderung eine Spannung in der zweiten Spule 5 induzieren, wodurch der daraufhin fließende Strom in der zweiten Spule 5 ein Magnetfeld erzeugen würde, das dem Aufbau des anziehenden Magnetfeldes entgegengerichtet wäre. Die Diode ist jedoch so gepolt verschaltet, dass dieser Strom nicht fließen kann und entsprechend kein Gegenmagnetfeld aufgebaut werden kann.
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Wird jedoch die die erste Spule 4 bestromende Energiequelle abgeschaltet oder umgepolt, so baut sich, wie bereits erläutert, ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld im Eisenrückschluss 3 und im Anker 2 auf, welches in der zweiten Spule 5 einen Strom in die entgegengesetzte, also in Durchlassrichtung der Diode orientierte Richtung fließen lässt. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, welches dem zuvor erzeugten Magnetfeld gleichgerichtet ist und dieses folglich zumindest kurzzeitig aufrechterhält.
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Auf diese Weise entstehen, wie in der 3 durch ein Simulationsergebnis dargestellt ist, zwei entgegengesetzte Magnetfelder, die sich nun abstoßen, so dass der Anker 2 zumindest für eine kurze Zeitdauer, während der das Magnetfeld im Anker 2 aufrechterhalten bleibt, aus der Öffnung des Eisenrückflusses 3 ausgeworfen werden kann.
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Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips zeigt die 4, in der eine Prinzipskizze eines Reluktanzmotors 10 dargestellt ist. Der Reluktanzmotor 10 weist einen Stator 11 mit sechs Statorpolen 11a bis 11f auf, die jeweils mit einer ersten Spule 12a bis 12f umwickelt sind. Im Betrieb werden jeweils gegenüberliegende Wicklungen 12a, 12d bzw. 12b, 12e bzw. 12c, 12f gleichzeitig bestromt, so dass die entsprechenden Statorpole entgegengesetzte Pole eines Elektromagneten darstellen, zwischen denen sich ein Magnetfeld ausbildet. Im Zentrum des Reluktanzmotors 10 ist ein Rotor 13 ausgebildet, der im dargestellten Beispiel vier Rotorpole 13a bis 13d aufweist. Die Rotorpole 13b und 13d sind im dargestellten Beispiel der 4 in konventioneller Weise aufgebaut, tragen also keine zweiten Spulen. An ihnen soll das Prinzip des Reluktanzmotors erläutert werden und damit dessen Nachteil zutage treten.
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Es sollen die ersten Spulen 12c und 12f der Statorpole 11c und 11f bestromt sein, so dass sich zwischen ihnen ein Magnetfeld aufbaut, das zunächst zu einem kleinen Teil durch die Rotorpole 13b und 13d und den Rotor verläuft, jedoch auch noch in den sich zwischen den Stator- und Rotorpolen vorhandenen Luftspalten. Auch hier trachtet das System nach einem Zustand geringer Reluktanz, so dass die Rotorpole 13b und 13d zu den Statorpolen 11c bzw. 11f gezogen werden, der Rotor 13 sich also zu drehen beginnt. Wenn sich die Stator- und Rotorpole genau gegenüber stehen, ist der Zustand geringster Reluktanz erreicht. Wenn sich der Rotor 13 aufgrund seiner Trägheit jedoch ein wenig weiter dreht, wird die Reluktanz wieder größer, so dass ein bremsendes Moment auf den Rotor einwirkt. Aus diesem Grund wird üblicherweise die Bestromung der ersten Spulen 12c und 12f der Statorpole 11c und 11f abgeschaltet, so dass der Rotor 13 nicht abgebremst wird. Es ist allerdings nicht möglich, die Statorspulen 12c und 12f mit umgekehrten Vorzeichen zu bestromen, um den Rotorpolen 13b und 13d einen abstoßenden Impuls zu geben, da sich dadurch die Rotorpole 13b und 13d ebenfalls umpolen würden und wieder zu den Statorpolen 11c und 11f zurückgezogen werden würden.
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In erfindungsgemäßer Weise ist daher, wie an den Rotorpolen 13a und 13c gezeigt, um diese jeweils eine zweite Spule 14a bzw. 14c gewickelt, deren Enden über eine Diode D miteinander verbunden sind. In gleicher Weise, wie bereits zum Magnetaktor der 1 bis 3 erläutert, kann aufgrund der Diode D beim Aufbau eines Magnetfeldes im Rotor 14 zwischen den Polen 13a und 13c aufgrund der entsprechenden Orientierung der Diode D kein Strom fließen, so dass die Funktion in diesem Fall gleich wie im zuvor erläuterten Fall einer konventionellen Anordnung abläuft. Bewegen sich die Rotorpole 13a und 13c nach dem Erreichen des Zustandes geringster Reluktanz jedoch von den Statorpolen 11a und 11d weg, so können die zugehörigen ersten Spulen 12a und 12d mit umgekehrten Vorzeichen bestromt werden, da durch das nunmehr entgegengerichtete Magnetfeld in den zweiten Spulen 14a und 14c durch die nunmehr leitende Diode D ein Strom fließen kann. Dieser hält das zuvor zwischen den Rotorpolen 13a und 13c aufgebaute Magnetfeld für eine kurze Zeit aufrecht, so dass die Rotorpole 13a und 13c von den Statorpolen 11a und 11d abgestoßen werden können und hierdurch der Rotor 13 ein zusätzliches Drehmoment erfährt.
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Die Ausbildung von lediglich zwei der vier Rotorpole mit einer erfindungsgemäßen zweiten Spule wurde lediglich zur Erläuterung der unterschiedlichen Funktionsweisen dargestellt, zur Erzielung des größtmöglichen Effekts werden die Rotorpole 13b und 13d ebenfalls mit entsprechenden zweiten Spulen, die über eine weitere Diode miteinander verbunden sind, ausgebildet.
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Ein entsprechender Reluktanzmotor 20 ist in der 5 dargestellt, wobei dieser Reluktanzmotor 20 einen Stator 21 mit zwölf Statorpolen 22 aufweist, um die entsprechend zwölf erste Spulen 23a bis 23l gewickelt sind. Der Rotor 24 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel zehn Pole 25 auf, die mit entsprechenden zweiten Spulen 26a bis 26h versehen sind.
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In der 6 ist in schematischer Weise dargestellt, wie die jeweiligen Stator- und Rotorspulen 23a bis 23l bzw. 26a bis 26h verschaltet sein können.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung von kurzgeschlossenen Spulen auf einem weichmagnetischen Anker eines Magnetaktors oder den Polen eines weichmagnetischen Rotors beispielsweise eines Reluktanzmotors kann in vorteilhafter Weise ein abstoßender Impuls auf die beweglichen Betätigungselemente bei Umpolen der jeweiligen Erregerspulen ausgeübt werden, so dass beispielsweise bei der Verwendung des Magnetaktors in einem Ventil dieses schneller wieder geschlossen werden kann oder aber auch bei Verwendung in einen Reluktanzmotor ein größeres Drehmoment erreicht werden kann. Dabei kann auf die ansonsten erforderlichen Permanentmagnete verzichtet werden, ohne dass zusätzliche Leitungen zu Erregerspulen auf dem Rotor beispielsweise über Schleifringe oder Ringtransformatoren geführt werden müssten.
