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Die Erfindung betrifft einen bistabilen elektromagnetischen Antrieb, umfassend ein Joch und einen Tauchanker, der zwischen einer ersten und einer zweiten stabilen Endlage bewegbar ist, wobei in einem zumindest teilweise von dem Joch umgebenen Innenraum eine Magnetspule und ein Permanentmagnet als magnetfelderzeugende Mittel angeordnet und dazu eingerichtet sind, einen Magnetfluss in dem Joch und dem Tauchanker bereitzustellen. Ferner betrifft die Erfindung eine Schlauchklemmvorrichtung eines Dialysegeräts mit einem solchen elektromagnetischen Antrieb, ein Verfahren zum Herstellen und ein Verfahren zum Betreiben eines bistabilen elektromagnetischen Antriebs.
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Bistabile elektromagnetische Antriebe bzw. bistabile Magnete sind allgemein bekannt. Sie weisen vielfach eine geringe Baugröße auf, verfügen über ein geringes Kraftniveau und entwickeln vor allem im Dauerbetrieb nicht unerhebliche Betriebsgeräusche.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen bistabilen elektromagnetischen Antrieb, eine Schlauchklemmvorrichtung eines Dialysegeräts, ein Verfahren zum Herstellen und ein Verfahren zum Betreiben eines bistabilen elektromagnetischen Antriebs anzugeben, wobei der bistabile elektromagnetische Antrieb möglichst geräuscharm betreibbar sein soll.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen bistabilen elektromagnetischen Antrieb, umfassend ein Joch und einen Tauchanker, der zwischen einer ersten und einer zweiten stabilen Endlage bewegbar ist, wobei in einem zumindest teilweise von dem Joch umgebenen Innenraum eine Magnetspule und ein Permanentmagnet als magnetfelderzeugende Mittel angeordnet und dazu eingerichtet sind, einen Magnetfluss in dem Joch und dem Tauchanker bereitzustellen, wobei der elektromagnetische Antrieb dadurch fortgebildet ist, dass eine Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit umfasst ist, die mit dem Tauchanker gekoppelt ist, wobei die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit einen ersten und einen zweiten Endanschlag bereitstellt, wobei die Endanschläge einen Hub des Tauchankers zwischen seinen beiden so definierten Endlagen bereitstellen und wobei die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit ferner Dämpfungsmittel umfasst, die ein Anschlagereignis an den Endlagenanschlägen dämpfen, und wobei die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit über einen verstellbaren Stößel mit dem Tauchanker verbunden ist.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische Antrieb ist bistabil, da sein Tauchanker in den stabilen Endlagen stromlos gehalten wird. Zu diesem Zweck umfassen die magnetfelderzeugenden Mittel den Permanentmagneten.
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Vorteilhaft wird durch die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit sichergestellt, dass in den Endlagen des elektromagnetischen Antriebs der Endanschlag stets in der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit stattfindet. Dieses Ereignis wird vorteilhaft gedämpft, was zu einem sehr geräuscharmen Betrieb des elektromagnetischen Antriebs führt. Durch den Einsatz eines bistabilen elektromagnetischen Antriebs wird ferner seine Eigenerwärmung auch im Dauereinsatz sehr gering gehalten.
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Bei dem elektromagnetischen Antrieb gemäß Aspekten der Erfindung ist durch den verstellbaren Stößel eine Trennung zwischen dem internen Anschlag und dem Abstand Anker-Kern vollzogen worden. Der Abstand zwischen Anker und Kern ist über den verstellbaren Stößel einstellbar. So ist es möglich, die Anzugskräfte des elektromagnetischen Antriebs einzustellen. Ebenso ist es möglich, die Haltekräfte, die der elektromagnetische Antrieb in seinen Endlagen aufbringt, einzustellen. Es kann also die Anpresskraft an den Endanschlag der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit eingestellt werden. Durch Einstellen dieser Kräfte ist es außerdem möglich, ein Überschwingen des Ankers über die Endlage hinaus, welches beim Hin- und Herschwingen zwischen den beiden Endanschlägen unweigerlich auftritt, zu kontrollieren und zu verringern. Das Überschwingen findet aufgrund elastischer Verformung beispielsweise eines Anschlagkörpers statt, wenn dieser an dem ersten oder zweiten Endanschlag anschlägt.
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Der elektromagnetische Antrieb gemäß Aspekten der Erfindung ist zur Verwendung in einem Dialysegerät besonders geeignet. Er bietet ein hohes Kraftniveau bei definiert einstellbarem Hub und gleichzeitig ein sehr geringes Betriebsgeräusch. Auch in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, dass der Stößel verstellbar ist. Durch ein Verstellen des Stößels kann nämlich auch das akustische Verhalten des Antriebs beeinflusst und eingestellt werden. Da in Dialysegeräten elektromagnetische Antriebe, beispielsweise in Schlauchklemmvorrichtungen, patientennah eingesetzt werden, ist das geringe Betriebsgeräusch besonders vorteilhaft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der elektromagnetische Antrieb dadurch fortgebildet, dass der Stößel seiner Länge nach in einer Hubrichtung verstellbar ist.
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Der Stößel ist beispielsweise verstellbar, indem dieser mit einem Außengewinde versehen ist, welches mit einem Innengewinde des Tauchankers kämmt. Indem nun der Stößel mehr oder weniger weit in den Tauchanker hineingeschraubt oder aus diesem herausgeschraubt wird, lässt sich der Abstand zwischen Tauchanker und Joch, also ein Ankerspalt, einstellen. Nach erfolgter Einstellung wird der Stößel insbesondere in dem Tauchanker gesichert, beispielsweise verklebt, so dass die einmal vorgenommene Einstellung dauerhaft ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der elektromagnetische Antrieb dadurch fortgebildet, dass das Joch einander gegenüberliegende Jochschenkel umfasst, die durch eine Jochbrücke miteinander verbunden sind, wobei mit dem Tauchanker ein Stößel verbunden ist, der durch die Jochbrücke hindurchgeführt ist, und wobei die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit außerhalb des Jochs angeordnet ist und über den Stößel mit dem Tauchanker verbunden ist.
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Insbesondere umfasst das Joch ferner einen Kern. Zum Schließen des magnetischen Flusses befindet sich der Kern zwischen den Jochschenkeln bzw. verbindet die Jochschenkel im Bereich einer Jochbrücke. Der Stößel ist bei einem solchen elektromagnetischen Antrieb durch den Kern hindurchgeführt.
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Durch die externe Anordnung der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit außerhalb des Jochs wird die Möglichkeit geschaffen, diese in bestehende elektromagnetische Antriebssysteme zu integrieren. Der konstruktive Aufwand zur Integration der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit wird sehr gering gehalten. Außerdem wird die Möglichkeit geschaffen, verschiedene Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheiten mit verschiedenen Joch-Tauchanker-Konstruktionen zu kombinieren. Auf diese Weise wird ausgehend von jeweils einem Joch-Tauchanker-Modul und einer Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit eine Vielzahl unterschiedlicher elektromagnetischer Antriebe bereitgestellt. Eine solche modulare Bauweise nach einem Baukastenprinzip ist sehr effizient und kostensparend.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der elektromagnetische Antrieb dadurch fortgebildet, dass der Anschlagkörper einen Träger und einen elastischen Körper als Dämpfungsmittel umfasst, wobei sich der elastische Körper insbesondere entlang einer den Endanschlägen zugewandten oberen und unteren Flachseite des Trägers und/oder entlang eines Außenumfangs des Trägers erstreckt, und wobei der Anschlagkörper mit dem elastischen Körper an dem ersten bzw. zweiten Endanschlag anschlägt.
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Der Träger ist insbesondere als eine mit dem Stößel verbundene Platte ausgebildet. Diese Platte erstreckt sich bevorzugt in einer Ebene zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung des Stößels. Ferner bevorzugt handelt es sich bei der Platte um eine kreisrunde Platte. Als Material für die Platte ist beispielsweise ein Metall oder auch ein stabiler Kunststoff vorgesehen. Der elastische Körper ist beispielsweise aus einem Kunststoffoder Gummimaterial hergestellt. Wenn der Anschlagkörper eine kreisrunde Platte ist, dann wird als elastischer Körper beispielsweise ein Kunststoff- oder Gummidämpfungsring vorgesehen.
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Alternativ ist der als Dämpfungsmittel wirkende elastische Körper insbesondere unlösbar mit dem Träger verbunden, beispielsweise auf diesen aufvulkanisiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist außerdem vorgesehen, dass zwei elastische Körper von der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit umfasst sind, die sich auf den Endanschlägen befinden. Sie erstrecken sich mit anderen Worten zumindest bereichsweise auf einer Anschlagfläche oder Flachseite der Endanschläge, an der der Anschlagkörper anschlägt, wenn er sich in der ersten oder zweiten Endlage befindet. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel wird auf den elastischen Körper am Träger verzichtet. Es ist jedoch ebenfalls möglich, sowohl am Träger als auch an den Endanschlägen elastische Körper vorzusehen.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel überragt der elastische Körper den Träger in Bewegungsrichtung des Stößels, also in einer Längsaxialrichtung des Stößels. So ist sichergestellt, dass bei Erreichen der Endlage stets der elastische Körper als Dämpfungsmittel mit einem entsprechenden Anschlag in Kontakt tritt. Vorteilhaft wird ein Anschlag von Metall auf Metall vermieden, was stets zu erheblicher Geräuschentwicklung führt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der elastische Körper ferner aus zwei unterschiedlich elastischen Materialien hergestellt. Bevorzugt sind diese in dem elastischen Körper übereinander geschichtet. Beispielsweise weist der elastische Körper auf seiner Außenseite eine weiche dämpfende Masse auf, welche primär die Geräuschdämpfung bewirkt. Unterhalb befindet sich ein festeres Material, welches sich auch nach langen Betriebszeiten nur eine geringe Verformung zeigt und so stets einen definierten Anschlagpunkt festlegt. So wird die Möglichkeit geschaffen, den Hub des Ankers sehr genau festzulegen, wobei der elektromagnetische Antrieb auch über lange Betriebszeiten diesen genauen Hub beibehält.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der elektromagnetische Antrieb dadurch fortgebildet, dass der Tauchanker und insbesondere der mit dem Tauchanker verbundene Stößel in zumindest einem Gleitlager zum Aufnehmen von Querkräften geführt sind.
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Aufgrund des Permanentmagneten, der als Teil der magnetfelderzeugenden Mittel vorgesehen ist und die bistabile Konstruktion des elektromagnetischen Antriebs ermöglicht, treten nicht unerhebliche Querkräfte auf, welche in Querrichtung zur Längsaxialrichtung des Tauchankers auf diesen wirken. Um dennoch einen geräusch- und verschleißarmen Betrieb des elektromagnetischen Antriebs zu gewährleisten, werden entsprechende Gleitlager vorgesehen.
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Vorteilhaft ist der elektromagnetische Antrieb ferner dadurch fortgebildet, dass ein Kern umfasst ist, der zum Schließen des magnetischen Flusses in dem Tauchanker und dem Joch mit dem Joch verbunden ist, wobei in der ersten stabilen Endlage, in der ein Abstand zwischen dem Tauchanker und dem Kern minimal ist, ein Spalt zwischen dem Tauchanker und dem Kern vorhanden ist.
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Insbesondere beträgt der Spalt zwischen Tauchanker und Kern lediglich wenige Zehntel Millimeter. Vorteilhaft wird durch diesen Spalt vermieden, dass der Tauchanker auf dem Kern aufschlägt, wenn er seine erste Endlage erreicht. Ein solcher Kontakt von Metall auf Metall würde im Betrieb des elektromagnetischen Antriebs zu einer nicht unerheblichen Geräuschentwicklung führen. Dies wird vorteilhaft vermieden.
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Der Kern weist beispielsweise einen dem Tauchanker zugewandten Konus auf. Ein dem Kern zugewandtes Ende des Tauchankers ist in diesem Fall konisch ausgebildet und taucht in den Konus des Kerns ein. Der Ankerspalt ist bei einer solchen Ausführungsform nicht nur stirnseitig des Tauchankers, zwischen diesem und dem Kern, sondern auch seitlich im Bereich des Konus vorhanden. So wird vorteilhaft ein Anschlag des Tauchankers am Kern vermieden.
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Ferner ist der elektromagnetische Antrieb insbesondere dadurch fortgebildet, dass eine Rückstellfeder umfasst ist, die dazu eingerichtet ist, in Entlastungsrichtung den Tauchanker in die zweite (entgegengesetzte) Endlage zu verbringen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich die Rückstellfeder außerhalb des Joches. Sie ist ferner bevorzugt über einen weiteren Stößel mit dem Tauchanker verbunden.
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Ferner ist insbesondere eine Endlagenerkennung vorgesehen. Eine entsprechende Endlagenerkennungsvorrichtung ist beispielsweise mit demjenigen Stößel wirkgekoppelt, mit dem auch die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit gekoppelt ist. Mit anderen Worten befindet sich die Endlagenerkennungsvorrichtung also auf der Seite der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit. Beispielsweise wird eine optische Endlagenerkennung eingesetzt.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Schlauchklemmvorrichtung eines Dialysegeräts, wobei diese Schlauchklemmvorrichtung einen elektromagnetischen Antrieb nach einem oder mehreren der genannten Ausführungsbeispiele umfasst.
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Vorteilhaft ist der bistabile elektromagnetische Antrieb gemäß Aspekten der Erfindung besonders für Schlauchklemmvorrichtungen in Dialysegeräten geeignet. Mit dem bistabilen elektromagnetischen Antrieb können nämlich relativ große Kräfte bei einem definierten Hub von wenigen Millimetern bereitgestellt werden. Der genaue Hub wird durch die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit eingestellt. Es kommt zu einer lediglich geringen Eigenerwärmung des Antriebs. Außerdem arbeitet der Antrieb vorteilhaft besonders geräuscharm. Da sich die Schlauchklemmvorrichtung in unmittelbarer Nähe des Dialysepatienten befindet, während das Dialysegerät in Betrieb ist und eine Dialysebehandlung typischerweise mehrere Stunden dauert, ist der geräuscharme Betrieb des elektromagnetischen Antriebs besonders vorteilhaft.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines bistabilen elektromagnetischen Antriebs nach einem oder mehreren der genannten Ausführungsformen, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte fortgebildet ist,
- – Bereitstellen einer Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit und
- – Koppeln der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit mit dem Tauchanker,
- – wobei die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit für den Tauchanker einen ersten und einen zweiten Endanschlag bereitstellt, und wobei die Endanschläge einen Hub des Tauchankers zwischen seinen beiden so definierten Endlagen bereitstellen und die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit ferner Dämpfungsmittel umfasst, die ein Anschlagereignis an den Endlagenanschlägen dämpfen,
- – Einstellen einer Länge eines die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit mit dem Tauchanker verbindenden Stößels.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines bistabilen elektromagnetischen Antriebs nach einem oder mehreren der genannten Ausführungsformen, wobei das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass bei Erreichen der ersten und/oder zweiten Endlage nach einem Umschaltvorgang, bei dem der Tauchanker von einer ersten in eine entgegengesetzte zweite Endlage verbracht wird, der Hub des Tauchankers durch die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit begrenzt und ein Anschlag des Tauchankers an einem Endanschlag gedämpft wird.
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Auf die Verfahren zum Herstellen eines bistabilen elektromagnetischen Antriebs und zum Betreiben desselben treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu, wie sie bereits im Hinblick auf den bistabilen elektromagnetischen Antrieb erwähnt wurden.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und der beigefügten Zeichnung ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
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1 einen bistabilen elektromagnetischen Antrieb in einem schematischen und vereinfachten Längsschnitt,
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2 ein Detail eines bistabilen elektromagnetischen Antriebs in vereinfachter, schematischer und perspektivischer Ansicht.
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In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
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1 zeigt einen bistabilen elektromagnetischen Antrieb 2 in einem schematischen und vereinfachten Längsschnitt. Im Folgenden wird zur besseren Verständlichkeit der Beschreibung anstatt von einem „bistabilen elektromagnetischen Antrieb“ stets nur von einem „elektromagnetischen Antrieb“ gesprochen. Gemeint ist jedoch stets ein bistabiler elektromagnetischer Antrieb.
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Der elektromagnetische Antrieb 2 umfasst ein Joch 4, das beispielhaft zwei einander gegenüberliegende Jochschenkel, nämlich einen ersten Jochschenkel 6a und einen zweiten Jochschenkel 6b umfasst. Die Jochschenkel 6a, 6b sind durch eine Jochbrücke 8 miteinander verbunden. Zwischen den unteren Enden der Jochschenkel 6a, 6b befindet sich ein Kern 10, der im unteren Bereich des Jochs 4 einen Teil der Jochbrücke 8 bildet. Das Joch 4 ist beispielsweise ein gestanztes U-förmiges Bauteil. Der Kern 10 ist hingegen beispielsweise ein gedrehtes Bauteil. Als Material für das Joch 4 und den Kern 10 wird beispielsweise Stahl verwendet. Der Kern 10 und das Joch 4 sind bevorzugt miteinander verstemmt. Genauer gesagt ist derjenige Teil des Kerns 10, der einen Teil der Jochbrücke 8 darstellt, zwischen den Teilen der Jochschenkel 6a, 6b verstemmt, die den übrigen Teil der Jochbrücke 8 ausbilden.
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Der elektromagnetische Antrieb 2 umfasst ferner einen Tauchanker 12, bei dem es sich ebenfalls beispielsweise um ein gedrehtes Bauteil, beispielsweise aus Stahl, handelt. Der Tauchanker 12 ist zwischen einer ersten stabilen Endlage und einer zweiten stabilen Endlage in Hubrichtung H bewegbar. 1 zeigt beispielhaft die erste Endlage.
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Im dargestellten Längsschnitt umgibt das Joch 4 einen Innenraum 14 an drei Seiten. An der Oberseite ist der Innenraum 14 durch eine Flanschplatte 16 abgeschlossen. Diese ist mit dem Joch 4 beispielsweise über die Muttern 18 verschraubt. Das Joch 4 ist mit anderen Worten an seiner Oberseite durch die unmagnetische Flanschplatte 16 fixiert, an der auch die Aufnahmen für die Befestigung des Magnetsystems angebracht sind.
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In dem Innenraum 14 des elektromagnetischen Antriebs 2 befinden sich als magnetfelderzeugende Mittel eine Magnetspule 20 sowie Permanentmagneten 22. Die Permanentmagnete 22 sind beispielsweise NdFeB-Magnete und sind als Blöcke seitlich am Joch 4 befestigt. Der von den Permanentmagneten 22 erzeugte permanentmagnetische Fluss wird über Flussleitblöcke 24 in den Tauchanker 12 geführt. Über einen Ankerspalt 26 zwischen einer Unterseite des Tauchankers 12 und dem Kern 10 tritt der permanentmagnetische Fluss in den Kern 10 ein und von diesem weiter in das Joch 4 bzw. den ersten und zweiten Jochschenkel 6a, 6b. Über die Jochschenkel 6a, 6b gelangt der permanentmagnetische Fluss auf beiden Seiten des Jochs 4 jeweils zu dem dort vorhandenen Permanentmagneten 22.
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Wegen der durch die Permanentmagnete 22 bzw. den permanentmagnetischen Fluss erzeugten nicht unerheblichen Querkräfte im System werden der stirnseitig mit einem unmagnetischen Stößel 28 versehene Tauchanker 12 und der Stößel 28 in Gleitlagern 31 geführt. Die Gleitlager 31 sind im Kern 10 und in den Flussleitblöcken 24 angeordnet.
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Neben den Permanentmagneten 22 umfasst das Magnetsystem, also die magnetfelderzeugenden Mittel, die Magnetspule 20. Diese ist gegenüber dem Kern 10, den Flussleitblöcken 24 und Teilen der Jochschenkel 6a, 6b bzw. der Jochbrücke 8 durch eine geeignete elektrische Isolierung 30 elektrisch isoliert.
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In dem in 1 dargestellten Zustand befindet sich der elektromagnetische Antrieb 2 in seiner ersten Endlage. In dieser Position wird der Tauchanker 12 durch den von den Permanentmagneten 22 erzeugten permanentmagnetischen Fluss gehalten. Der elektromagnetische Antrieb 2 wird in seine zweite (gegenüberliegende und nicht dargestellte) Endlage verbracht, indem die Magnetspule 20 mit einem Strompuls beaufschlagt wird. Die Stärke dieses Strompulses wird so gewählt, dass in dem magnetischen Kreis die Wirkung der Permanentmagnete 22 so weit aufgehoben wird, dass eine außerdem umfasste Rückstellfeder 32 in der Lage ist, den Tauchanker 12 zu verschieben. Diese Verschiebung erfolgt in Entlastungsrichtung der Rückstellfeder 32, bei der es sich um eine Druckfeder handelt, entlang der Hubrichtung H in 1, also nach oben. Zu diesem Zweck ist die Rückstellfeder 32 zwischen einer Oberseite der Flanschplatte 16 und einer Druckplatte 34 eingespannt. Die Druckplatte 34 ist über einen oberen Stößel 36 mit dem Tauchanker 12 verbunden. Beispielsweise ist sie mithilfe einer Verbindungsschraube 38 mit dem oberen Stößel 36 verbunden. Der obere Stößel 36 und der Stößel 28 (unterer Stößel) sind in dem Tauchanker 12, beispielsweise in den Tauchanker 12 eingeschraubt und durch eine Klebverbindung, gesichert.
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Soll der Tauchanker 12 wieder in den in 1 dargestellten angezogenen Zustand verbracht werden, der als erste Endlage bezeichnet wird, wird die Magnetspule 20 erneut mit einem Strompuls beaufschlagt. Sie wird derart bestromt, dass insbesondere zwischen dem Kern 10 und der diesem zugewandten Stirnseite des Tauchankers 12 aufgrund des im Magnetkreis fließenden magnetischen Flusses eine so große Anziehungskraft bewirkt wird, dass die Kraft der Rückstellfeder 32 überwunden wird. Der Tauchanker 12 kehrt in Hubrichtung H in die erste stabile Endlage zurück.
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Zum Umschalten zwischen erster und zweiter Endlage ist jeweils lediglich ein Stromstoß in der Magnetspule 20 notwendig. Auf eine Dauerbestromung der Magnetspule 20 wird vorteilhaft verzichtet. So wird vermieden, dass sich der elektromagnetische Antrieb 2 im Dauerbetrieb nennenswert erwärmt. In seiner ersten bzw. zweiten Endlage wird der Tauchanker 12 stabil gehalten, indem entweder die Permanentmagneten 22 einen entsprechend großen magnetischen Fluss in dem Magnetkreis bereitstellen oder aber die Rückstellfeder 32 den Tauchanker 12 in der abgefallenen Position hält.
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Der elektromagnetische Antrieb 2 gemäß Aspekten der Erfindung arbeitet besonders geräuscharm und weist außerdem einen auch über große Betriebsdauern genau definierten Hub auf.
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Zu diesem Zweck umfasst der elektromagnetische Antrieb 2 eine Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40. Die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 ist mit dem Tauchanker 12 über den Stößel 28 gekoppelt. Sie stellt einen ersten und einen zweiten Endanschlag bereit, durch den die erste bzw. die zweite Endlage definiert werden. Ferner umfasst sie Dämpfungsmittel, beispielsweise einen elastischen Körper 42, um das Anschlagereignis an den Endanschlägen vor allem im Hinblick auf die entstehenden Geräusche zu dämpfen. Es wird insbesondere vermieden, dass bei Erreichen der Endlage ein Anschlag Metall auf Metall stattfindet, der stets mit nicht unerheblicher Geräuschentwicklung verbunden ist.
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Der Stößel 28 ist gegenüber dem Tauchanker 12 seiner Länge nach in der Hubrichtung H verstellbar. Zu diesem Zweck ist der Tauchanker 12 beispielsweise mit einem Innengewinde versehen, während der Stößel 28 ein Außengewinde aufweist. Durch Verstellen des Stößels 28 gegenüber dem Tauchanker 12 ist es möglich, den Ankerspalt 26 auf die gewünschte Größe einzustellen. Diese Einstellbarkeit ermöglicht es, die Anzugskräfte des elektromagnetischen Antriebs 2 einzustellen. Je größer der Ankerspalt 26 ist, desto größer ist der Widerstand für das magnetische Feld, welches von dem Kern 10 in den Tauchanker 12 übertritt. Dementsprechend ist die Anzugskraft des elektromagnetischen Antriebs 2 in der Endlage geringer. Durch Verringerung des Ankerspalts 26 kann die Haltekraft entsprechend vergrößert werden. Mit anderen Worten ist es also möglich, die Anzugskräfte durch Verstellen des Stößels 28 einzustellen. Nicht nur die Anzugskräfte, sondern auch die Halte- und Anpresskräfte in der Endlage sind durch Verstellen des Stößels 28 einstellbar. So ist es möglich, dass der Antrieb eine definierte Haftkraft in der Endlage bereitstellt.
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Ferner ist es möglich, ein Überschwingen des elektromagnetischen Antriebs 2, wenn dieser seine Endlage erreicht, durch Zurücknehmen der magnetischen Kräfte zu minimieren. Ein Überschwingen findet stets statt, da der Anschlagkörper 44, in dem Moment, in dem dieser beispielsweise an dem Anschlagstück 46 oder an der Jochbrücke 8 anschlägt, sich geringfügig elastisch verformt. Der Anker schwingt also über seine durch die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 definierte Endlage geringfügig hinaus. Durch Verringerung der in der Endlage wirkenden Anpresskraft kann dieses Überschwingen minimiert werden.
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Der Stößel 28, der die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 mit dem Tauchanker 12 verbindet, ist durch die Jochbrücke 8 hindurchgeführt. Genauer gesagt, ist der Stößel 28 durch den Kern 10 im Bereich der Jochbrücke 8 hindurchgeführt. Die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 ist also außerhalb des Jochs 4 angeordnet.
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Die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 umfasst einen mit dem Stößel 28 verbundenen Anschlagkörper 44, beispielsweise eine mit dem Stößel 28 verbundene Metallplatte als Träger 45, die mit einem elastischen Körper 42 als Dämpfungsmittel, beispielsweise einem Dämpfungsring, versehen ist. Der elastische Körper 42 erstreckt sich bevorzugt entlang des Umfangs des Trägers 45. Bei abgefallenem Tauchanker 12 schlägt der elastische Körper 42 an der Unterseite des Jochs 4, genauer gesagt an der Jochbrücke 8, an. In der in 1 dargestellten ersten Endlage bei angezogenem Tauchanker 12 schlägt der elastische Körper 42 des Anschlagkörpers 44 an einem Anschlagstück 46 an. Das Anschlagstück 46 ist ein Teil der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 und ist bevorzugt aus einem Metall hergestellt. Es ist ferner fest mit dem Joch 4 bzw. der Jochbrücke 8 verbunden.
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Der elastische Körper 42 schlägt an dem ersten und zweiten Endanschlag an. Somit wird ein Kontakt oder ein Anschlag zwischen dem Träger 45 und den Endanschlägen, also ggf. ein Kontakt von Metall auf Metall, vermieden. Dies dämpft das Betriebsgeräusch des elektromagnetischen Antriebs 2. Als Material für den elastischen Körper 42 ist beispielsweise ein Kunststoff oder ein Elastomer vorgesehen.
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Ferner ist der elastische Körper 42 bevorzugt aus zwei unterschiedlichen elastischen Materialien hergestellt. Beispielsweise ist ein vergleichsweise stabiles und hartes Material, beispielsweise ein Kunststoffmaterial, mit einem weicheren und elastischeren Material, beispielweise einem Gummimaterial, beschichtet. Eine solche Ausführung des elastischen Körpers 42 hat den Vorteil, dass das auf der Außenseite befindliche weiche Material an den Endanschlägen anschlägt und so eine effektive Geräuschdämpfung bewirkt. Das darunter befindliche vergleichsweise härter und widerstandsfähigere Material definiert hingegen die Position des Anschlagkörpers 44 und somit der Endlagen des Tauchankers 12. Auch nach langen Betriebszeiten ist der eingestellte Hub des elektromagnetischen Antriebs 2 noch klar definiert. Mit anderen Worten tritt lediglich eine sehr geringe Veränderung des werkseitig eingestellten Hubs während der Lebensdauer des elektromagnetischen Antriebs 2 auf. Der Hub des Tauchankers 12 ist durch den Abstand D zwischen der in dem Anschlagstück 46 vorhandenen Stufe und der Unterseite der Jochbrücke 8 festgelegt.
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Der als Dämpfungsmittel wirkende elastische Körper 42 ist insbesondere unlösbar mit dem Träger 45 verbunden, beispielsweise auf diesen aufvulkanisiert. Gemäß weiterer nicht dargestellter Ausführungsbeispiele ist außerdem vorgesehen, dass zwei elastische Körper von der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit umfasst sind. Sie befinden sich auf den Endanschlägen und erstrecken sich zumindest bereichsweise auf einer Anschlagfläche oder Flachseite der Endanschläge, an der der Anschlagkörper 44 anschlägt, wenn er sich in der ersten oder zweiten Endlage befindet. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel wird auf den elastischen Körper 42 am Träger 45 verzichtet. Es ist jedoch ebenfalls vorgesehen, sowohl am Träger 45 als auch an den Endanschlägen jeweils elastische Körper vorzusehen.
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Der elektromagnetische Antrieb 2 umfasst ferner bevorzugt eine Endlagenerkennungsvorrichtung 48. Beispielsweise ist eine Endlagenerkennungsvorrichtung 48 vorgesehen, die optisch arbeitet. Sie befindet sich bevorzugt an einer Unterseite des Anschlagstücks 46 und detektiert, ob das untere Freiende 54 des Stößels 28, so wie in 1 dargestellt, aus einer unteren Platte 50 hervorsteht oder nicht. Die untere Platte 50 ist mit einer weiteren Schraube 52 in dem Anschlagstück 46 befestigt.
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Der Hub des Tauchankers 12 wird durch die Endlagen des Anschlagkörpers 44 in dem von dem Anschlagstück 46 bestimmten Bewegungsraum der Höhe D definiert. Vorteilhaft wird vor allem ein Kontakt zwischen dem Tauchanker 12 und dem Kern 10 ausgeschlossen. Der Ankerspalt 26, der beispielsweise einige Zehntel Millimeter stark ist, bleibt stets gewahrt. Der Kern 10 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen dem Tauchanker 12 zugewandten Konus auf. Ein dem Kern 10 zugewandtes Ende des Tauchankers 12 ist ebenfalls konisch ausgebildet. Es taucht in den Konus des Kerns 10 ein, wenn sich der Tauchanker 12 in der ersten stabilen Endlage befindet. Der Ankerspalt 26 ist also nicht nur stirnseitig des Tauchankers 12, also zwischen diesem und dem Kern 10, sondern auch seitlich im Bereich des Konus vorgesehen. So wird nicht nur der stirnseitige Anschlag des Tauchankers 12 am Kern 10 sondern auch ein Anschlag des Tauchankers 12 im Bereich des Konus vermieden. Im Ergebnis ist die Geräuschentwicklung des elektromagnetischen Antriebs 2 wesentlich verringert und kann durch die Auswahl der passenden Dämpfung bzw. der für das Dämpfungsmittel verwendeten Materialien bestimmt werden.
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Der elektromagnetische Antrieb 2 ist bevorzugt in einer nicht dargestellten Schlauchklemmvorrichtung eines Dialysegeräts vorgesehen.
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Zu diesem Zweck wird das untere Freiende 54 des Stößels 28 mit einem entsprechenden Bauteil dieser Schlauchklemmvorrichtung gekoppelt. Beispielsweise wird ein Bauteil angekoppelt, welches dazu vorgesehen ist, einen Schlauch eines Dialysegeräts direkt abzuklemmen, wobei auf eine U-förmige Klemmschlaufe verzichtet wird.
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Bei Bedarf wird die Dämpfung des Systems so hart gewählt, dass sehr enge Toleranzen im Bereich von beispielsweise +/– 0,1 mm über die Lebensdauer des Systems eingehalten werden. Zu diesem Zweck wird bei Bedarf eine zweistufige Dämpfung eingesetzt, um die Aufschlagenergie zu reduzieren.
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Die Verwendung des elektromagnetischen Antriebs 2 in einem Dialysegerät ist besonders vorteilhaft, da dieser geräuscharm arbeitet und einen sehr definierten Hub bei großer Stellkraft bereitstellt.
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2 zeigt ein Detail eines elektromagnetischen Antriebs 2 in vereinfachter, schematischer und perspektivischer Ansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der elektromagnetische Antrieb 2 umfasst ein Bypassstück 56, welches dazu vorgesehen ist, die Rückzugskräfte auf den Tauchanker 12 bei maximalem Ankerhub zu verringern. Das magnetisch leitfähige Bypassstück 56 wird in der Nähe der Permanentmagneten 22 am Joch 4 angebracht. Es wird ein magnetischer Flussweg geschaffen, der ausgehend von dem Permanentmagneten 22, über den Flussleitblock 24, einen Bypassluftspalt 58 in das Bypassstück 56 führt. Von dort führt er weiter in das Joch 4 bzw. den Jochschenkel 6a, 6b zurück zu dem Permanentmagneten 22. Es ist ein paralleler Flussweg zu dem magnetischen Flussweg über den Tauchanker 12 vorhanden. Der Bypassluftspalt 58 und die wirksamen Bypassflächen werden so gewählt, dass der magnetische Fluss bei minimalem Ankerhub hauptsächlich über die Ankerstirnseite und bei maximalem Ankerhub hauptsächlich über den magnetischen Bypass geführt wird.
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Gemäß einem Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetischen Antriebs 2 gemäß einem oder mehreren der genannten Ausführungsbeispiele wird zunächst eine Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 bereitgestellt. Bevorzugt werden die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 und der übrige Teil des elektromagnetischen Antriebs 2 in verschiedenen Ausführungen als modularer Baukasten vorgehalten. So können, ausgehend von einer begrenzten Anzahl von Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheiten 40 und Magnetsystemen, eine Vielzahl verschiedener elektromagnetischer Antriebe 2 hergestellt werden.
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Anschließend wir die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 mit dem Tauchanker 12 gekoppelt. Die geschieht, indem beispielsweise der Stößel 28 der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 in dem Tauchanker 12 verklebt wird. Ein gewünschter Hub wird über den Abstand D zwischen der Unterseite des Jochs 4 bzw. der Jochbrücke 8 und der in dem Anschlagstück 46 vorhandenen Stufe eingestellt. Für unterschiedlich große Hübe können unterschiedliche Anschlagstücke 46 vorgehalten werden. Für den Tauchanker 12 steht nun über die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 ein erster und zweiter Endanschlag bereit, wobei das Anschlagereignis an den Endanschlägen durch die in der Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 vorhandenen Dämpfungsmittel gedämpft werden.
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Gemäß einem Verfahren zum Betreiben des elektromagnetischen Antriebs 2 wird also bei Erreichen der ersten und/oder zweiten Endlage nach einem Umschaltvorgang, bei dem der Tauchanker 12 von einer ersten in die entgegengesetzte zweite Endlage oder umgekehrt verbracht wird, der Hub des Tauchankers 12 durch die Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit 40 begrenzt. Der Anschlag des Tauchankers 12 an einem der beiden Endanschläge wird gedämpft.
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Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- bistabiler elektromagnetischer Antrieb
- 4
- Joch
- 6a
- erster Jochschenkel
- 6b
- zweiter Jochschenkel
- 8
- Jochbrücke
- 10
- Kern
- 12
- Tauchanker
- 14
- Innenraum
- 16
- Flanschplatte
- 18
- Mutter
- 20
- Magnetspule
- 22
- Permanentmagnet
- 24
- Flussleitblock
- 26
- Ankerspalt
- 28
- Stößel
- 30
- Isolierung
- 31
- Gleitlager
- 32
- Rückstellfeder
- 34
- Druckplatte
- 36
- oberer Stößel
- 38
- Verbindungsschraube
- 40
- Hubbegrenzungs- und Dämpfungseinheit
- 42
- elastischer Körper
- 44
- Anschlagkörper
- 45
- Träger
- 46
- Anschlagstück
- 48
- Endlagenerkennungsvorrichtung
- 50
- untere Platte
- 52
- weitere Schraube
- 54
- unteres Freiende
- 56
- Bypassstück
- 58
- Bypassluftspalt
- D
- Abstand
- H
- Hubrichtung
