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Die Erfindung betrifft eine Drehspulenanordnung. Eine solche Drehspulenanordnung kann beispielsweise als elektromechanische Steuereinrichtung für ein Fluidventil eingesetzt werden, insbesondere für ein Prallplattenventil. Hierzu ist vorzusehen, dass die Drehspulenanordnung in einem Magnetfeld angeordnet wird und eine Stromversorgung einer der Drehspulenanordnung zugehörigen Magnetspule vorgenommen wird. Daraus resultiert bei geeigneter Ausrichtung der Magnetspule gegenüber dem Magnetfeld ein Drehmoment auf die Magnetspule, das zu einer Schwenkbewegung der Magnetspule um eine Schwenkachse führt. Diese Schwenkbewegung kann beispielsweise zur Beeinflussung, insbesondere zu einer stellungsabhängigen Drosselung, eines Fluidstroms genutzt werden, sofern die Drehspulenanordnung als Bestandteil eines Fluidventils ausgebildet ist.
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Die
JP 2004 - 266 957 A offenbart einen planaren elektromagnetischen Aktuator, bei dem die Antriebsspulen auf einem beweglichen Abschnitt angeordnet sind, der mit einem Paar von Torsionsstäben drehbeweglich an einem Befestigungsabschnitt gelagert, wobei eine elektrische Versorgung der Antriebsspulen über die Torsionsstäbe vorgesehen ist.
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Aus der
DE 10 2014 113 103 A1 ist ein elektrodynamischer Aktor bekannt, der eine Magnetanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds und ein relativ zur Magnetanordnung bewegliches Stellglied umfasst, wobei das Stellglied eine bestrombare Luftspule aus einem Kupferdraht aufweist, die im Magnetfeld angeordnet ist und fest an einen Spulenträger aus einem nicht-magnetischen Material gekoppelt ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Drehspulenanordnung bereitzustellen, die bei einfacher Bauweise einen hohen elektromechanischen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird für eine Drehspulenanordnung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Dabei weist die Drehspulenanordnung wenigstens eine Magnetspule und einen Spulenträger auf, an dem die wenigstens eine Magnetspule aufgenommen ist. Ferner umfasst die Drehspulenanordnung einen Grundkörper, der mit dem Spulenträger ein Schwenklager für eine Schwenkbewegung der wenigstens einen Magnetspule ausbildet, sowie eine Federanordnung, die mit einem ersten Federabschnitt am Grundkörper festgelegt ist und mit einem zweiten Federabschnitt kraftübertragend am Spulenträger anliegt, um eine Vorzugsstellung für den Spulenträger gegenüber dem Grundkörper zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Wickelachse der Magnetspule und eine Schwenkachse, die durch das zwischen Spulenträger und Grundkörper ausgebildete Schwenklager bestimmt wird, senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Darüber hinaus kann vorgesehen werden, dass die Drehspulenanordnung bei einer Verwendung derart in einem äußeren Magnetfeld angeordnet wird, dass ein von diesem äußeren Magnetfeld bestimmter magnetischer Fluss sowohl quer zur Schwenkachse als auch quer zur Wickelachse ausgerichtet ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass bei einer Stromzufuhr an die Magnetspule zumindest Abschnitte der Spulenwicklung derart vom Spulenstrom und vom Magnetfeld durchsetzt sind, dass die hierbei auftretenden Lorentzkräfte zu einem Drehmoment um die Schwenkachse führen. Bei einem Einsatz der Drehspulenanordnung als Bestandteil eines Fluidventils ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Spulenträger und der Grundkörper derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine Schwenkbewegung des Spulenträger gegenüber dem Grundkörper lediglich in einem kleinen Schwenkwinkelbereich, beispielsweise einem Schwenkwinkelbereich von +/- 5 Grad, stattfindet. Hierdurch kann beispielsweise die gewünschte Beeinflussung, insbesondere stellungsabhängige Drosselung, eines Fluidstroms gewährleistet werden kann, womit eine Ventilfunktion verwirklicht werden kann.
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Die Aufgabe der Federanordnung besteht darin, eine Vorzugsstellung für den Spulenträger gegenüber dem Grundkörper zu gewährleisten, sofern keine äußere Energiezufuhr an die Magnetspule stattfindet. Eine weitere Aufgabe der Federanordnung besteht darin, nach einer durch Zufuhr elektrischer Energie an die Magnetspule bewirkten Auslenkung des Spulenträgers gegenüber dem Grundkörper eine Rückführung in die Vorzugsstellung zu gewährleisten, sobald die Zufuhr elektrische Energie beendet wurde. Darüber hinaus kann die Federanordnung dazu ausgebildet sein, eine Druckkraft auf den Spulenträger auszuüben, durch die eine definierte Anlage der Spulenträgers am Grundkörper gewährleistet wird, um eine schwenkbewegliche Lagerung des Spulenträgers gegenüber dem Grundköper zu erreichen. Bevorzugt ist die Federanordnung derart auf den Spulenträger abgestimmt, dass bei einer Schwenkbewegung des Spulenträgers um die Schwenkachse relativ zum Grundkörper eine möglichst reibungsarme, insbesondere reibungsfreie, Kraftübertragung zwischen dem Spulenträger und der Federanordnung erzielt werden kann. Dies wird beispielsweise dadurch begünstigt, dass die Federanordnung mit dem zweiten Federabschnitt in punktförmiger oder linienförmiger Weise am Spulenträger anliegt, wobei im Falle eines linienförmigen-Kontakts zwischen Federanordnung und Spulenträger eine parallele Ausrichtung einer Berührlinie gegenüber der Schwenkachse vorzusehen ist. Ferner ist die Federanordnung derart ausgebildet, dass trotz einer bei der Schwenkbewegung erfolgenden elastischen Deformation von Bereichen der Federanordnung möglichst keine Gleitbewegung gegenüber dem Spulenträger stattfindet. Bevorzugt ist die Federanordnung für eine zumindest nahezu ausschließliche Abwälzbewegung am Spulenträger ausgebildet, da hierdurch die gewünschten geringen Reibungsverluste bei der Schwenkbewegung des Spulenträgers erzielt werden können.
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Durch diese Maßnahmen wird eine Schwenkbewegung des Spulenträgers bereits bei geringer Leistungsaufnahme ermöglicht, die beispielhaft weniger als 2 Milliwatt beträgt. Hiermit wird die Verwendung der Drehspulenanordnung insbesondere für prozesstechnische Anwendungen ermöglicht, bei der ein Gesamtstrom für eine Prozesskomponente wie beispielsweise ein Prozessventil, in dem die Drehspulenanordnung integriert ist, einen Schwellwert von 20 Milliampere nicht überschreiten darf.
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Zweckmäßig ist es, wenn das Schwenklager wenigstens ein Schneidenlager umfasst und mit einem, insbesondere genau einem, Bewegungsfreiheitsgrad um eine Schwenkachse ausgebildet ist. Ein Schneidenlager weist beispielhaft einen längs der Schwenkachse erstreckten prismatischen Schneidenkörper auf, der dem Grundkörper zugeordnet sein kann, sowie eine korrespondierende Vertiefung, die im Spulenträger ausgebildet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Schwenklager ein Schneidenlager als Loslager und ein Gleitlager als Festlager umfasst, wodurch eine geometrisch bestimmte Lagerung des Spulenträgers am Grundkörper mit genau einem Freiheitsgrad der Bewegung, nämlich ausschließlich einer Schwenkbeweglichkeit um die Schwenkachse, gewährleistet werden kann. Hierbei kann das Festlager beispielsweise als Kombination einer konusartigen Erhebung und einer korrespondierenden, insbesondere kreisförmigen, Ausnehmung ausgebildet sein. Das Loslager kann den prismatischen Schneidenkörper und die korrespondierende Vertiefung umfassen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federanordnung an einander entgegengesetzten Endbereichen jeweils einen am Grundkörper festgelegten ersten Federabschnitt aufweist und dass der, insbesondere mit zwei voneinander beabstandeten Kontaktbereichen am Spulenträger anliegende, zweite Federabschnitt zwischen den beiden ersten Federabschnitten angeordnet ist. Hierdurch wird eine symmetrische Krafteinleitung von der Federanordnung auf den Spulenträger begünstigt, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn der Spulenträger in seiner Vorzugsstellung gegenüber dem Grundkörper eine zentrierte Ausrichtung aufweisen soll, aus der Schwenkbewegungen in einander entgegengesetzte Schwenkrichtungen um zumindest nahezu gleiche Schwenkwinkelbeträge möglich sind. Vorteilhaft ist es, wenn der zweite Federabschnitt zwei, insbesondere spiegelsymmetrisch zu einer die Schwenkachse umfassenden Spiegelebene angeordnete Kontaktbereiche aufweist, mit denen er am Spulenträger anliegt, um unabhängig von der Richtung der Schwenkbewegung stets zumindest nahezu identische Rückständekräfte auf den Spulenträger ausüben zu können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federanordnung ausgehend von den beiden ersten Federabschnitten jeweils L-förmig ausgebildete und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete dritte Federabschnitte aufweist, die jeweils mit Endbereichen des W-förmig ausgebildeten zweiten Federabschnitts verbunden sind. Durch eine derartige Ausgestaltung der Federanordnung kann zumindest für kleine Schwenkwinkel des Spulenträgers gegenüber dem Grundkörper eine unerwünschte Relativbewegung zwischen dem zweiten Federabschnitt und dem Spulenträger vermieden werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn äußere Schenkel des W-förmig ausgebildeten zweiten Federabschnitts zumindest nahezu senkrecht zu einer Oberfläche des Spulenträgers ausgerichtet sind, auf der der zweite Federabschnitt aufliegt und die mit diesen äußeren Schenkeln verbundenen dritten Federabschnitte bereichsweise zumindest im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Spulenträgers ausgerichtet sind. Ferner ist vorteilhaft, wenn die beiden durch den zweiten Federabschnitt bestimmten Kontaktbereiche mit dem Spulenträger zumindest nahe zu einem, insbesondere auf einem, konzentrisch zur Schwenkachse ausgerichteten Kreis angeordnet sind. Sofern die vorstehenden Bedingungen zumindest nahezu eingehalten sind, findet bei einer Schwenkbewegung des Spulenträgers gegenüber dem Grundkörper unter Zugrundelegung kleiner Schwenkwinkel eine rein elastische Deformation der Federanordnung ohne eine nennenswerte reibungsbehaftete Gleitbewegung gegenüber dem Spulenträger statt. Hierdurch kann zum einen ein hoher elektromechanischer Wirkungsgrad für die Drehspulenanordnung gewährleistet werden, zum anderen wird ein Verschleiß zwischen Federanordnung und Spulenträger auf einem sehr geringen Niveau gehalten. Ferner findet aufgrund der spiegelsymmetrischen Ausgestaltung der Rückstellfeder eine zumindest teilweise Kompensation von Abweichungen an den einzelnen Biegestellen der Rückstellfeder statt, so dass eine kostengünstige Herstellung der Rückstellfeder aufgrund geringer Toleranzanforderungen ermöglicht wird.
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Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spulenträger als gedruckte Schaltung mit zwei parallel zueinander ausgerichteten Schaltungsträgerflächen ausgebildet ist, wobei eine der Schaltungsträgerflächen wenigstens eine, insbesondere nutförmige, Ausnehmung aufweist, die zusammen mit einer gegenüberliegend angeordneten und korrespondierend ausgebildeten Erhebung am Grundkörper das Schwenklager bildet. Durch eine Ausgestaltung des Spulenträgers als gedruckte Schaltung oder Leiterplatte, auf deren Schaltungsträgerflächen mehrere elektrische Leiterbahnen und gegebenenfalls auch elektrische und/oder elektronische Bauelemente angeordnet werden können, können mit dem Spulenträger mehrere Funktionen abgedeckt werden. Eine der Funktionen des Spulenträgers besteht in der mechanischen Abstützung der Magnetspule. Eine weitere Funktion des Spulenträgers besteht in der schwenkbeweglichen Lagerung der Magnetspule durch Ausbildung des wenigstens einen Schwenklagers mit dem Grundkörper.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die, insbesondere an einem Spulenkörper aufgenommene, Magnetspule auf der Schaltungsträgerfläche angeordnet ist und elektrisch mit Leiterbahnen, die auf der Schaltungsträgerfläche ausgebildet sind, verbunden ist und dass wenigstens eine dieser Leiterbahnen als Kontaktfläche für eine Auflage des zweiten Federabschnitts ausgebildet ist. Hierdurch umfasst der Spulenträger eine weitere Funktion, die in der elektrischen Ankopplung der Magnetspule besteht. Diese Ankopplung erfolgt unter Zuhilfenahme der typischerweise aus elektrisch leitenden Material, insbesondere Federstahl oder Kupfer-Beryllium, hergestellten Federanordnung sowie der Leiterbahnen, die auf der Schaltungsträgerfläche des Spulenträgers ausgebildet sind. Somit kann eine Energiezufuhr von einer externen Energiequelle zur Magnetspule ohne zusätzliche Kabelverbindungen verwirklicht werden, da die Federanordnung und der Spulenträger zu diesen Zwecken genutzt werden.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn dem Spulenträger wenigstens zwei, vorzugsweise jeweils randseitig am Spulenträger angeordnete, parallel zueinander ausgerichtete Federanordnungen zugeordnet sind. Hierdurch kann die Versorgung der Magnetspule mit elektrischer Energie ausschließlich über die beiden Federanordnungen erfolgen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Magnetspule als, vorzugsweise auf einem rechteckig ausgebildeten Spulenkörper aufgenommene, Kastenspule ausgebildet ist und dass am Grundkörper wenigstens ein Flussleiter, insbesondere gegenüberliegend zu einem Spulenabschnitt der Magnetspule angeordneter, und/oder wenigstens ein, insbesondere im Spuleninneren angeordneter, Permanentmagnet zugeordnet sind. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Bauweise für die Drehspulenanordnung erzielen, da die Magnetspule aufgrund der Ausführung als Kastenspule in einer normal zur Wickelachse ausgerichteten Querschnittsebene einen rechteckigen Querschnitt aufweist und parallel zueinander ausgerichtete, beabstandet voneinander angeordnete Spulenabschnitte der Magnetspule für eine vorteilhafte magnetische Wechselwirkung mit einem Magnetfeld genutzt werden können, das vorzugsweise von einem oder mehreren Permanentmagneten bereitgestellt wird. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass eine größte Oberfläche eines plattenförmig ausgebildeten Flussleiters gegenüberliegend zu einem Spulenabschnitt der Magnetspule angeordnet ist, der seinerseits in einem quaderförmigen Raumvolumen angeordnete, parallel zueinander ausgerichtete, Spulendrähte umfasst. Vorteilhaft ist es, wenn eine Magnetisierung des Permanentmagneten quer zur Ausrichtung der Spulendrähte vorgesehen ist, um bei einem Stromfluss durch die Spulendrähte eine maximale elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Spulenstrom und dem Magnetfeld zu gewährleisten, die aus der Lorentzkraft resultiert und zu den gewünschten Drehmoment auf den Spulenträger führt. Zur Verbesserung des elektromechanischen Wirkungsgrads der Drehspulenanordnung kann wenigstens ein Flussleiter vorgesehen sein, der für eine Konzentration des von dem wenigstens einen Permanentmagneten bereitgestellten magnetischen Flusses vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Permanentmagnet einen Volumenabschnitt im Inneren der Magnetspule zumindest nahezu vollständig ausfüllt und beispielhaft eine quaderförmige Gestalt aufweist und wenn jeweils gegenüberliegend zu einander entgegengesetzten Stirnflächen des Permanentmagneten jeweils Flussleiter angeordnet sind. Dabei bildet der jeweilige Flussleiter mit dem gegenüberliegend angeordneten Permanentmagnet einen Arbeitsspalt, der von dem zugeordneten Spulenabschnitt der Magnetspule durchsetzt ist.
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Zweckmäßig ist es, wenn im Grundkörper wenigstens ein Fluidkanal ausgebildet ist, der sich von einem Fluidanschluss an einer Außenoberfläche des Grundkörpers bis zu einer Fluiddüse erstreckt, die an einer gegenüberliegend zum Spulenträger ausgerichteten Innenoberfläche des Grundkörpers ausmündet. Durch die Schwenkbeweglichkeit des Spulenträgers gegenüber dem Grundkörper kann somit eine Beeinflussung eines am Fluidanschluss bereitgestellten Fluidstroms erfolgen, wobei das Fluid wahlweise vom Fluidanschluss zur Fluiddüse oder in umgekehrter Richtung strömen kann.
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Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Federabschnitt der Federanordnung einen beweglichen Endabschnitt aufweist, der für eine kraftschlüssige Festlegung eines Anschlusskabels oder Anschlussstifts am ersten Federabschnitt oder zwischen dem ersten Federabschnitt und dem Grundkörper ausgebildet ist. Hierdurch wird eine einfache elektrische Verbindung der Drehspulenanordnung mit einer externen Energieversorgung ermöglicht, beispielsweise durch anbringen von Anschlusskabeln oder durch Aufstecken der Drehspulenanordnung auf Anschlussstifte einer Steuerplatine.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer Drehspulenanordnung mit zugeordneten Permanentmagneten,
- 2 eine Vorderansicht auf die Federanordnung aus der Drehspulenanordnung gemäß der 1, und
- 3 eine Ansicht von unten auf den als gedruckte Schaltung ausgebildeten Spulenträger mit der daran aufgenommenen Magnetspule sowie Vertiefungen zur Ausbildung ein Schwenklager somit einem Grundkörper.
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Eine in der 1 dargestellte Drehspulenanordnung 1 umfasst einen Grundkörper 2, der rein exemplarisch eine quaderförmige Außengeometrie aufweist und an einer dem Betrachter zugewandten Vorderseite geschnitten dargestellt ist. Der beispielhaft als Kunststoffspritzgussteil ausgebildete Grundkörper 2 ist ausgehend von einer Oberseite 3 von einer prismatischen Ausnehmung 4 durchsetzt, die sich nahezu über die gesamte Höhe 5 des Grundkörpers 2 erstreckt und die auch als Ventilausnehmung bezeichnet werden kann. Dabei ist die Ausnehmung 4 derart profiliert, dass sie einen nicht näher bezeichneten, mittig angeordneten Zentralbereich und daran angrenzende Randbereiche 6, 7, 8 und 9 umfasst. Dabei sind die Randbereiche 6 und 7 der Ausnehmung 4 beispielhaft durch Vorsprünge 10 berandet und dienen zur Aufnahme und gegebenenfalls auch kraftschlüssigen Festlegung von plattenförmig ausgebildeten Flussleitern 11, 12. Beispielhaft ist vorgesehen, dass die beiden Flussleiter 11 und 12 jeweils als quaderförmige Eisenteile ausgebildet sind.
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In der Ausnehmung 4 ist ein Permanentmagnet 65 aufgenommen, der mit einer Magnetisierung ausgebildet ist, die rein exemplarisch parallel zu einer längsten Kante des Permanentmagneten 65 ausgerichtet ist, so dass der Permanentmagnet 65 ein Magnetfeld bereitstellt, dessen überwiegende Flußrichtung durch den Pfeil 13 angedeutet wird.
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Die Randbereiche 8 und 9 der Ausnehmung 4 sind mit Vorsprüngen 15 und 16 versehen, deren Funktion nachstehend näher erläutert wird.
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Im Zentralbereich der Ausnehmung 4 ist der rein exemplarisch als gedruckte Schaltung ausgebildete Spulenträger 14 angeordnet, der in der Draufsicht der 3 näher dargestellt ist und beispielhaft als Planparallelplatte mit jeweils parallel zueinander ausgerichteten, einander entgegengesetzten Oberflächenbereichen ausgebildet ist. Der Spulenträger 14 weist eine rechteckige Grundfläche auf, an die sich an einander entgegengesetzten Seitenflächen seitlich abragende Vorsprünge 17, 18 anschließen, die für sich gesehen ebenfalls jeweils rechteckige Grundflächen aufweisen. Die Vorsprünge 17 und 18 sind derart bemessen, dass sie jeweils den Vorsprung 15, der im Randbereich 8 und in gleicher Weise im Randbereich 9 vorgesehen ist, nahezu vollständig überdecken, wobei jedoch zwischen den Randbereichen 8 und 9 der Ausnehmung 4 und den Vorsprüngen 17 und 18 des Spulenträgers 14 ein Bewegungsspalt verbleibt, der eine Beweglichkeit des Spulenträgers 14 gegenüber dem Grundkörper 2 gewährleistet.
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Der Spulenträger 14 ist an seinen größten Oberflächen jeweils mit einer Schaltungsträgerfläche 19 und 20 versehen, die zur Ausbildung von elektrisch getrennten Leiterbahnen in leitfähige und nicht leitfähige Bereiche strukturiert sind. Rein exemplarisch sind zumindest auf der Schaltungsträgerfläche 19 elektronische Bauteile 21 angeordnet, bei denen es sich exemplarisch um Zenerdioden handelt, die für eine Schutzbeschaltung der nachstehend näher beschriebenen Magnetspulen eingesetzt werden.
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Ferner sind sowohl auf der Schaltungsträgerfläche 19 als auch auf der Schaltungsträgerfläche 20 jeweils Magnetspulen 22, 23 angeordnet, wobei die Magnetspule 22 in der 1 in perspektivischer Darstellung zu sehen ist, während die Magnetspule 23 in der Ansicht von unten gemäß der 3 zu sehen ist. Beispielhaft sind die Magnetspulen 22 und 23 in identischer Weise als Kastenspulen ausgeführt und umfassen jeweils einen rahmenförmig ausgebildeten Spulenkörper 24. Der Spulenkörper 24 umfasst einen in der 3 teilweise geschnitten dargestellten Wickelkörper 25 mit einem gemäß der Darstellung der 3 rechteckigen Querschnitt und ist von einer Ausnehmung 26 mit ebenfalls rechteckigem Querschnitt vollständig durchsetzt. Jeweils endseitig an einer oberen Stirnseite und an einer unteren Stirnseite weist der Spulenkörper 24 einen nach außen über den Wickelkörper 25 abragenden umlaufenden Bund 27 auf. Jeder Bund 27 ist gemäß der Darstellung der 3 ebenfalls mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet und bestimmt eine beispielhaft eben ausgeführte Oberseite 28 bzw. eine in den 1 und 3 nicht sichtbare, eben ausgebildete und flächig am Spulenträger 14 anliegende Unterseite. Auf den Wickelkörper 25 sind eine Vielzahl von Spulenwindungen 29 aufgewickelt, die beispielsweise von einem Kupferlackdraht gebildet sind. Aufgrund der rechteckigen Gestalt des Wickelkörpers 25 weisen die Magnetspulen 22 und 23 zumindest abschnittsweise geradlinig ausgebildete Spulenabschnitte 30, 31, 32 und 33 auf. Dabei sind für die Funktion der Drehspulenanordnung 1 die benachbart zu den Flussleitern 11 und 12 angeordneten Spulenabschnitte 30 und 31 von besonderer Bedeutung, da diese bei Anlegen eines Spulenstroms durch magnetische Wechselwirkung mit einem vom Permanentmagneten 65 bereitgestellten magnetischen Fluss 13 die Lorentzkräfte hervorrufen, die die gewünschte Relativbewegung des Spulenträgers 14 mit den daran aufgenommenen Magnetspulen 22 und 23 gegenüber dem Grundkörper 2 bewirken. Die Herstellung der Spulenwicklungen für die Magnetspulen 22 und 23 erfolgt durch einen Wickelvorgang der Spulenwindungen 29 um eine Wickelachse 60, wie sie in den 1 und 3 exemplarisch eingezeichnet ist.
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Bei der Relativbewegung des Spulenträgers 14 mit den daran aufgenommenen Magnetspulen 22 und 23 gegenüber dem Grundkörper 2 soll es sich um eine reine Schwenkbewegung des Spulenträgers 14 gegenüber dem Grundkörper 2 um eine Schwenkachse 34 handeln. Um diese Relativbewegung, vorzugsweise als ausschließliche Bewegung, zwischen dem Spulenträger 14 und dem Grundkörper 2 zu gewährleisten, sind an der Unterseite 35 des Spulenträgers 14 im Bereich der Vorsprünge 17 und 18 jeweils Ausnehmungen 36 und 37 ausgebildet. Dabei ist die Ausnehmung 36 rein exemplarisch als Nut ausgebildet, die längs der Schwenkachse 34 verläuft und die beispielhaft einen V-förmigen Querschnitt aufweisen kann. Die Ausnehmung 37 ist rein exemplarisch kegelabschnittsförmig ausgebildet, wobei ein Zentrum der Ausnehmung 37 ebenfalls auf der Schwenkachse 34 angeordnet ist. Die beiden Ausnehmungen 36 und 37 sind jeweils für einen Eingriff einer Erhebung ausgebildet, die an den Vorsprüngen in den Randbereichen 8 und 9 der Ausnehmung 4 vorgesehen sind.
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In der Darstellung der 1 ist eine Erhebung 38, die rein exemplarisch als Kegel am Vorsprung 15 ausgebildet ist, zu erkennen. Diese Erhebung 38 ist für einen Eingriff in die schematisch in der 3 gezeigte Ausnehmung 37 vorgesehen, wie dies auch in der 1 dargestellt ist, und bildet ein Festlager, das lediglich schwenkbewegliche Relativbewegungen des Spulenträgers 14 gegenüber dem Grundkörper 2 ermöglicht. Rein exemplarisch ist die Erhebung 38 endseitig an einer Madenschraube 70 angebracht, die in eine Gewindebohrung 71 des Grundkörpers 2 eingeschraubt ist und eine Einstellung des zusammen mit der Ausnehmung 37 gebildeten Festlagers ermöglicht. Ferner ist beispielhaft vorgesehen, dass ein Spitzenwinkel der Erhebung 38 kleiner als ein Spitzenwinkel der Ausnehmung 37 ist, so dass eine Schwenkbewegung zwischen dem Spulenträger 14 gegenüber dem Grundkörper 2 ermöglicht wird.
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Im Randbereich 9 ist eine weitere, nicht dargestellte Erhebung an einem ebenfalls nicht dargestellten Vorsprung ausgebildet, die ebenfalls als Kegel ausgebildet ist und die für einen Eingriff in die nutförmige Ausnehmung 36 vorgesehen ist. Hierdurch wird ein Loslager gebildet, das neben einer Schwenkbewegung um die Schwenkachse 34 auch eine Verschiebung des Spulenträgers 14 längs der Schwenkachse ermöglichen würde. Aufgrund der Kombination des vorstehend beschriebenen Festlagers mit dem vorstehend beschriebenen Lager wird ein statisch bestimmtes Schwenklager 39 für die Lagerung des Spulenträgers 14 gegenüber dem Grundkörper 2 gebildet, das ausschließlich eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse 34 ermöglicht.
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Um eine definierte Anlage des Spulenträgers 14 am Grundkörper 2 zu gewährleisten, sind in den Randbereichen 8 und 9 jeweils Federanordnungen 40 angeordnet, die zur Ausübung von Druckkräften auf den Spulenträger 14 ausgebildet sind, wobei in der 1 nur eine Federanordnung 40 sichtbar ist. Diese Druckkräfte bewirken, dass der Spulenträger 14 an den Erhebungen anliegt, die am Grundkörper 2 ausgebildet sind und von denen die Erhebung 38 in der 1 dargestellt ist, wodurch die gewünschte Schwenkbeweglichkeit um die Schwenkachse 34 ermöglicht wird.
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Eine nähere Darstellung der Federanordnungen 40 ist der 2 zu entnehmen. Rein exemplarisch ist die Federanordnung 40 aus einem bandförmigen, federelastischen Material, insbesondere Federstahl oder Kupfer-Beryllium, hergestellt und spiegelsymmetrisch zu einer Spiegelachse 41 ausgebildet. Die Federanordnung 40 kann funktional in beispielsweise drei Abschnitte unterteilt werden, die jeweils wenigstens eine spezifische Funktion erfüllen. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Federanordnung 40 jeweils endseitig angeordnete, erste Federabschnitte 42, einen zentral angeordneten zweiten Federabschnitt 43 sowie jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Federabschnitt angeordnete dritte Federabschnitte 44 aufweist.
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Der erste Federabschnitt 42 ist zur Festlegung der Federanordnung 40 im Grundkörper 2 ausgebildet und ist zu diesem Zweck mehrfach abgewinkelt. Ein Endbereich 45 des ersten Federabschnitts 42 ist mit einem schmalen Querschnitt ausgebildet und durchsetzt eine Ausnehmung 46, die in einem Schenkel 47 des L-förmig ausgebildeten dritten Federabschnitts 44 vorgesehen ist. Ferner ist der Endbereich 45 hinter der Ausnehmung 46 rein exemplarisch rechtwinklig abgewinkelt und verläuft somit bereichsweise parallel zum Schenkel 47 auf. Auf der anderen Seite des Schenkels 47 weist der erste Federabschnitt 42 den gleichen Querschnitt wie auch die übrigen Federabschnitte 43 und 44 auf und ist zunächst spitzwinklig und anschließend stumpfwinklig geformt, um abschließend mit einer 90-Grad-Biegung in den Schenkel 47 überzugehen. Durch diese Geometrie des ersten Federabschnitts 42 ist es möglich, ein nicht dargestelltes Kabel kraftschlüssig in einen Spalt 48 zwischen dem Endbereich 45 und dem Schenkel 47 aufzunehmen. Alternativ kann vorgesehen sein, einen ebenfalls nicht dargestellten Kontaktstift kraftschlüssig in einem spitzwinklig zulaufenden Spalt zwischen dem ersten Federabschnitt 42 und einer gegenüberliegenden Innenoberfläche 49 aufzunehmen. Mit Hilfe des nicht dargestellten Kabels oder des nicht dargestellten Kontaktstifts kann eine elektrische Verbindung der Federanordnung 40 mit einer nicht dargestellten Stromquelle hergestellt werden.
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An den ersten Federabschnitt 42 schließt sich der L-förmig ausgebildete dritte Federabschnitt 44 an, dessen Schenkel 47 und 51 exemplarisch zumindest nahezu gleich lang ausgebildet sind. Der in der 2 senkrecht ausgerichtete Schenkel 47 des dritten Federabschnitts 44 verläuft gemäß der Darstellung der 1 parallel zu einer längsten Kante des Vorsprungs 16. Der in der 2 waagerecht ausgerichtete Schenkel 51 des dritten Federabschnitts 44 geht in einen rechtwinklig dazu ausgerichteten Schenkel 52 des W-förmig ausgebildeten zweiten Federabschnitts 43 über. Dieser Schenkel 52 des zweiten Federabschnitts 43 geht in einer spitzenwinkligen Krümmung in einen schräg verlaufenden Schenkel 53 über, der seinerseits in einer stumpfwinkligen Krümmung in einen gemäß der Darstellung der 2 waagerecht ausgerichteten Schenkel 54 übergeht. Eine in der 2 nach unten gewandte Außenfläche der spitzwinkligen Krümmung zwischen dem Schenkel 53 und dem Schenkel 54 bildet einen Kontaktbereich 55, mit dem die Federanordnung 40 am Spulenträger 14 aufliegt.
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Wie aus der Darstellung der 1 entnommen werden kann, sind am Spulenträger 14 zwei zu den jeweiligen Kontaktbereichen 55 der Federanordnung 40 korrespondierende Kontaktflächen 56 ausgebildet, die über nicht näher dargestellte Leiterbahnen in elektrischer Verbindung mit ebenfalls nicht dargestellten Spulenwindungen der Magnetspulen 22 und 23 stehen. Aufgrund der zwei am Grundkörper 2 vorgesehenen Federanordnungen 40 ist somit eine vollständige elektrische Versorgung der beiden Magnetspulen 22 und 23 möglich.
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Für eine Verwendung der Drehspulenanordnung 1 als elektromechanischer Aktor eines Fluidventils sind im Grundkörper 2 rein exemplarisch zwei Fluidkanäle 61 ausgebildet, die beide den Vorsprung 15 durchsetzen und sich von einem Fluidanschluss 62 an einer Außenoberfläche des Grundkörpers 2 bis zu einer Fluiddüse 63, die etwas oberhalb des Vorsprungs 15 gegenüberliegend zum Spulenträger 14 ausmündet erstrecken. Ein Fluidstrom durch die beiden Fluidkanäle 61 wird in Abhängigkeit von einer Einstellung des Spulenträgers 14, der in der Art eines Ventilglieds wirkt, beeinflusst.
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Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass die Federanordnung 40 aufgrund ihrer spiegelsymmetrischen Gestalt an den beiden Kontaktflächen 56 jeweils die gleiche Druckkraft auf den Spulenträger 14 ausüben, so dass sich dieser ohne einen Spulenstrom durch die Magnetspulen 22 und 23 in der Gleichgewichtsstellung gemäß der 1 befindet. In dieser Gleichgewichtsstellung ist beispielsweise eine parallele Ausrichtung der Schaltungsträgerflächen 19 und 20 zur Oberseite 3 des Grundkörpers gewährleistet. Findet hingegen eine Strombeaufschlagung der Magnetspulen 22 und 23 statt, so führen die aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen dem Strom durch die Spulenwindungen 29 und dem magnetischen Fluss der Permanentmagnete 11 und 12 auftretenden Lorentzkräfte gemäß der so genannten „Rechte-Hand-Regel“ zu einem Drehmoment auf den Spulenträger 14 um die Schwenkachse 34. Durch dieses Drehmoment können die Druckkräfte der Federanordnungen 40 überwunden werden, so dass eine Schwenkbewegung des Spulenträgers 14 mit den daran aufgenommenen Magnetspulen 22, 23 um die Schwenkachse 34 stattfindet, wobei die beiden Federanordnungen 40 elastisch deformiert werden. Aufgrund der Gestaltung der beiden Federanordnungen 40 findet zumindest für die in der Realität auftretenden kleinen Schwenkwinkel zwischen Spulenträger 14 und Grundkörper 2, die einen Betrag von 10 Grad nicht überschreiten, keine reibungsbehaftete Relativbewegung zwischen den Kontaktbereichen 55 und den Kontaktflächen 56 statt, wenn von einer Abwärtsbewegung der Kontaktbereichen 55 auf den Kontaktflächen 56 abgesehen wird, die jedoch keine nennenswerten Reibungsverluste mit sich bringt. Nach einer Beendigung einer Stromzufuhr auf die Magnetspulen 22, 23 verschwinden die Lorentzkräfte, so dass die in den Federanordnungen 40 gespeicherte Deformationsenergie für eine Rückstellbewegung des Spulenträgers 14 in die Gleichgewichtstellung gemäß der 1 genutzt werden kann. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Lorentzkraft und das daraus resultierende Drehmoment zumindest näherungsweise direkt proportional zum Strom durch die Spulenwindungen 29 sind. Ferner sind die Spulenwindungen 29 derart zwischen dem Permanentmagnet 65 und den beiden Flussleitern 11, 12 angeordnet, dass sie sich stets im homogenen Teil des Magnetfeldes bewegen, womit das Drehmoment zumindest weitgehend unabhängig von der Auslenkung des Spulenträgers 14 ist.
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Beispielhaft wird die Drehspulenanordnung 1 über eine analoge Stromschnittstelle, insbesondere mit einem Stromsignal in einem Stromstärkenbereich von 4mA bis 20mA, angesteuert und eignet sich aufgrund des geringen Energiebedarfs auch für Anwendungen in sicherheitskritischen Bereichen, insbesondere im Ex-Schutz-Bereich. Aufgrund der geringen Leistungsaufnahme ist die Drehspulenanordnung 1 bei einem Einsatz als Ventilantrieb für kleine Nennweiten eines zu beeinflussenden Fluidkanals besonders geeignet. Bei einer Verwendung der Drehspulenanordnung 1 in einem Prallplattenventil ist lediglich ein kleiner Öffnungshub für den Fluidkanal erforderlich, weshalb eine Auslenkung der Spuleneinheit in einem Winkelbereich von wenigen Grad ausreichend ist.
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Weiterhin kompensieren sich aufgrund der Symmetrie der Magnetspulen 22 und 23 eventuell vorliegende Inhomogenitäten des Magnetfeldes im Luftspalt zumindest weitestgehend. Tritt beispielsweise die obere Magnetspule 22 in einen Bereich mit abweichender magnetischer Feldstärke ein, kann davon ausgegangen werden, dass die untere Magnetspule 23 einen gegenteiligen Effekt erfährt, sofern die Feldausprägung symmetrisch ist.
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Für eine praktische Verwendung der Drehspulenanordnung 1 kann auf den Grundkörper 2 ein nicht näher dargestellter Abschlussdeckel aufgesetzt werden, um die in der Ausnehmung 4 aufgenommenen, vorstehend näher beschriebenen Komponenten gegenüber Umgebungseinflüssen zu schützen.
