DE102018008102A1

DE102018008102A1 - Electromagnetic actuator

Info

Publication number: DE102018008102A1
Application number: DE102018008102.9A
Authority: DE
Inventors: Erhard Kisker; Heinrich WIENEKE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Die Erfindung hat einen elektromagnetischen Aktor zum Ziel, dessen Kraft-Weg-Charakteristik durch eine inhomogene Auslegung der Erregerspule an die Kraft-Weg-Charakteristik des von dem Aktor zu beeinflussenden Objekts angepasst werden kann. So kann ein flacher Kraft-Weg-Verlauf erzielt werden. Die Erfindung beinhaltet verschiedene geometrische Varianten des Aktors. Die Erfindung beinhaltet die invers betriebene Vorrichtung als Sensor für Zugkräfte.The aim of the invention is an electromagnetic actuator, the force-displacement characteristic of which can be adapted to the force-displacement characteristic of the object to be influenced by the actuator by inhomogeneous design of the excitation coil. In this way, a flat force-displacement curve can be achieved. The invention includes various geometric variants of the actuator. The invention includes the inversely operated device as a sensor for tensile forces.

Description

Die Erfindung gehört in das Gebiet der aktiven Elektromagnete, die eine unmittelbare mechanisch verwertbare Bewegung erzeugen.The invention belongs to the field of active electromagnets that generate an immediate mechanically usable movement.

Aktoren gibt es in vielen Varianten - hydraulischen oder auf Elektromotoren basierenden Systemen.¹ Diese arbeiten relativ langsam und weisen für manche Anwendung keine zufriedenstellende Reaktionszeit auf. Ferner verbietet die Mindestgröße einiger solcher Antriebssysteme ihren Einsatz in kleinen Strukturen. So ist z.B. die Nachbildung des Bewegungsablaufes einer menschlichen Hand, z.B. beim Klavierspielen, mit den heutigen Systemen nicht möglich. Daher gibt es Überlegungen, bei filigraneren Bewegungen Zug- oder Hubmagnete (solenoid actuators) zum Einsatz zu bringen.² Actuators are available in many versions - hydraulic or systems based on electric motors. ¹ These work relatively slowly and do not have a satisfactory response time for some applications. Furthermore, the minimum size of some such drive systems prohibits their use in small structures. For example, it is not possible to reproduce the sequence of movements of a human hand, for example when playing the piano, with today's systems. Therefore, there are considerations to use pull or solenoid actuators for more delicate movements. ^2nd

Einfache Hub- oder Zugmagnete besitzen eine hyperbolische Kraft-Weg Charakteristik, die für manche Anwendung ungeeignet ist. Eine flachere Kraft-Weg-Charakteristik wird konventionell durch das Zusammenwirken mit mechanischen Federn erzielt. Die Betätigung der Federn erfordert jedoch zusätzliche Kraft. Ebenfalls wird eine sensorgesteuerte Anregung der Spulen durchgeführt, was jedoch den Aufwand erheblich erhöht. Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, einen Aktor zu schaffen, dessen Kraft-Weg-Charakteristik ohne die Zuhilfenahme obiger Zusatzeinrichtungen in weiten Grenzen einstellbar ist. Von besonderem Interesse ist ein Aktor mit einer in einem weiten Weg-Bereich flachen Kraft-Weg-Charakteristik (5). Eine solche flache Kraft-Weg-Charakteristik wird dadurch erzielt, dass die erregende Spule inhomogen gewickelt wird (4). Die Amperewindungszahl pro Längeneinheit parallel zur Aktorachse ist in der Umgebung der Stirnflächen der Spule gegenüber der Umgebung der Spulenmitte erhöht. Die Spule (4) kann auch in mehrere Segmente aufgeteilt werden zB. mit separaten an den Stirnflächen angebrachten Segmenten (32,33) (1). Durch Wahl der Spulenparameter wie Amperewindungszahl pro Längeneinheit und der Breite (30,31) der an den Stirnflächen angebrachten Spulensegmente (32,33) können außer einem flachen Kraft-Wegverlauf auch andere Charakteristiken eingestellt werden. Das Segment (34) (32,33) kann mit dickerem Draht bewickelt werden als die Segmente (32,33), um den Energieverbrauch zu vermindern. Die Spulensegmente können mit separaten elektrischen Anschlüssen versehen werden, um die Feldstärken und somit die magnetischen Kräfte feinjustieren zu können.Simple lifting or pulling magnets have a hyperbolic force-displacement characteristic that is unsuitable for some applications. A flatter force-displacement characteristic is conventionally achieved through the interaction with mechanical springs. However, operating the springs requires additional force. Sensor-controlled excitation of the coils is also carried out, but this considerably increases the effort. It is the object of this invention to provide an actuator whose force-displacement characteristic can be set within wide limits without the aid of the above additional devices. Of particular interest is an actuator with a flat force-displacement characteristic over a wide range ( 5 ). Such a flat force-displacement characteristic is achieved by winding the exciting coil inhomogeneously ( 4th ). The number of ampere turns per unit length parallel to the actuator axis is increased in the area around the end faces of the coil compared to the area around the center of the coil. The sink ( 4th ) can also be divided into several segments, e.g. with separate segments attached to the end faces ( 32 , 33 ) ( 1 ). By choosing the coil parameters such as ampere turns per unit length and the width ( 30th , 31 ) of the coil segments attached to the end faces ( 32 , 33 ) other characteristics can be set in addition to a flat force-displacement curve. The segment ( 34 ) ( 32 , 33 ) can be wound with thicker wire than the segments ( 32 , 33 ) to reduce energy consumption. The coil segments can be provided with separate electrical connections in order to be able to fine-tune the field strengths and thus the magnetic forces.

Der erfindungsgemäße Aktor kann von filigraner Ausführung sein oder auch größere Abmessungen haben, wenn hohe Kräfte erforderlich sind.The actuator according to the invention can be of a filigree design or can also have larger dimensions if high forces are required.

Die Erfindung betrifft sowohl Aktoren, die aus einem Anker und einer Spule oder einem Spulensystem als aktive Elemente als auch solche, die aus zwei von einer Spule oder einem Spulensystem umgebenden Ankern bestehen. Der letztere Fall ist energetisch besonders günstig, da die Kraft zwischen beiden Ankern verdoppelt ist und gleichzeitig ein doppelt so großer Hub erzielt werden kann wie Falle von nur einem Anker.The invention relates both to actuators which consist of an armature and a coil or a coil system as active elements and to those which consist of two armatures surrounded by a coil or a coil system. The latter case is particularly favorable in terms of energy, since the force between the two anchors is doubled and at the same time a stroke which is twice as large as the case of only one anchor can be achieved.

Im Falle zweier Anker liegen als Wirkprinzipien der vorliegenden Erfindung die anziehende Kraft zwischen zwei durch ein Spulensystem magnetisierten ferromagnetischen Ankern (1,2) sowie die anziehende Kraft zwischen dem die Anker umgebenden konzentrischen Spulensystem (4) und jedem der beiden Anker (1,2) zugrunde. Das von der Spule (4) oder dem Spulensystem erzeugte Magnetfeld magnetisiert beide Anker (1,2) in die gleiche Richtung, so dass sie sich analog zu zwei gleichgepolten Permanentmagneten in linearer Anordnung anziehen und somit den Aktor zu verkürzten suchen. Im Falle nur eines Ankers wirkt nur die Kraft zwischen dem Spulensystem und dem Anker.In the case of two armatures, the principles of action of the present invention are the attractive force between two ferromagnetic armatures magnetized by a coil system ( 1 , 2nd ) and the attractive force between the concentric coil system surrounding the armature ( 4th ) and each of the two anchors ( 1 , 2nd ) based. That from the coil ( 4th ) or the magnetic field generated in the coil system magnetizes both armatures ( 1 , 2nd ) in the same direction, so that they attract each other in the same way as two permanent magnets with the same polarity in a linear arrangement and thus try to shorten the actuator. In the case of only one armature, only the force acts between the coil system and the armature.

Für manche Anwendung wird ein schlanker Aktor benötigt. Während konventionelle Hub- oder Zugmagnete zur Erhöhung der Kräfte durch Verbesserung des magnetischen Flusses ein die Spulen umschließendes Joch beinhalten, das den Durchmesser des Aktors vergrößert, ist ein solches Joch im Falle eines erfindungsgemäßen schlanken Aktors nicht unbedingt erforderlich, weil der magnetische Streufluß außerhalb des Spulensystems ohnehin nur gering ist. Somit können erfindungsgemäße schlanke und energieeffiziente Aktoren realisiert werden.A slim actuator is required for some applications. While conventional lifting or pulling magnets for increasing the forces by improving the magnetic flux include a yoke enclosing the coils, which increases the diameter of the actuator, such a yoke is not absolutely necessary in the case of a slim actuator according to the invention, because the magnetic leakage flux is outside the coil system is only slight anyway. Lean and energy-efficient actuators according to the invention can thus be implemented.

In einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen Aktors können die Anker (1,2) auch aus permanent magnetisiertem Material bestehen. In diesem Falle wird die magnetisierende Spule (4) geteilt (3) und beide Spulenteile (32) bzw. (33) mit getrennten Anschlüssen versehen. Mittlere Spulensegmente können ebenfalls vorgesehen werden. Erzeugen die Spulen (32,33) Magnetfelder, die größer als die Koerzitivfeldstärken der Ankermaterialien sind, können die Anker so magnetisiert werden, dass sie sich bei Ausschalten des Stromflusses anziehen. Somit ist eine Konstruktion möglich, bei der eine Zugkraft auch im stromlosen Zustand bestehen bleibt. Dies ist für die Anwendbarkeit in einem Schließmuskel von Vorteil. Aus diesem Zustand können die Anker mittels umgepolter Stromstöße befreit werden, z.B. um einen Schließmuskel zu öffnen. Ein nachfolgender Dauerstrom kann die Abstoßung der Anker (1,2) unterstützen und die abstoßende Kraft so lange wie nötig aufrechterhalten.In another embodiment of the actuator according to the invention, the anchors ( 1 , 2nd ) also consist of permanently magnetized material. In this case the magnetizing coil ( 4th ) divided ( 3rd ) and both coil parts ( 32 ) respectively. ( 33 ) with separate connections. Middle coil segments can also be provided. Generate the coils ( 32 , 33 ) Magnetic fields that are greater than the coercive field strengths of the armature materials, the armature can be magnetized so that they attract each other when the current flow is switched off. Thus, a construction is possible in which a tensile force remains even when de-energized. This is advantageous for applicability in a sphincter. From this state, the anchors can be released by means of reversed current surges, for example to open a sphincter. A subsequent continuous current can repel the armature ( 1 , 2nd ) support and maintain the repulsive force as long as necessary.

Die Geometrie der Anker beeinflusst die Zugkraft, weil das die Anker magnetisierende Feld von den an den Stirnseiten der Anker induzierten Polen abgeschwächt wird. Die Abschwächung wird durch den Entmagnetisierungsfaktor beschrieben, der vom Durchmesser/Länge-Verhältnis (D/L-Verhältnis) der Anker sowie von dessen Permeabilität abhängt. Ein großes D/L-Verhältnis erfordert ein höheres magnetisierendes Spulenfeld als ein kleineres D/L-Verhältnis. Andererseits ziehen sich Anker mit größerem Durchmesser über eine größere Entfernung an als Anker mit kleinerem Durchmesser. Somit hängt die Kraft-Weg-Charakteristik zwischen den Ankern in komplexer Weise von allen diesen Größen sowie den Eigenschaften des Spulensystems ab.The geometry of the anchors influences the tensile force because the field of magnetizing the anchors the poles induced on the end faces of the anchors is weakened. The weakening is described by the demagnetization factor, which depends on the diameter / length ratio (D / L ratio) of the armature and its permeability. A large D / L ratio requires a higher magnetizing coil field than a smaller D / L ratio. On the other hand, anchors with a larger diameter attract a greater distance than anchors with a smaller diameter. Thus, the force-displacement characteristic between the armatures depends in a complex manner on all of these variables and the properties of the coil system.

Bei langen, dünnen Ankern ist der Entmagnetisierungsfaktor sehr klein. Bestehen die Anker aus extrem weichmagnetischem Material wie z.B. weichgeglühtem Reineisen, genügen schon sehr kleine Spulenströme, um sie in die Sättigung zu magnetisieren. Die in der Spule umgesetzte Wärmeenergie kann entsprechend sehr gering sein. Mit dünnen Ankern können aber nur kleine Zugkräfte erzielt werden. Um die Zugkraft zu erhöhen können mehrere solcher Aktoren nebeneinander oder in Reihe angebracht werden. Dies schließt die Möglichkeit ein, mehrere Ankerpaare (1,2) mittels einer gemeinsamen, zylindrischen oder auch nicht zylinderförmigen Spule zu magnetisieren.With long, thin armatures, the demagnetization factor is very small. If the armatures consist of extremely soft magnetic material such as soft annealed pure iron, very small coil currents are sufficient to magnetize them into saturation. The thermal energy converted in the coil can accordingly be very low. However, only small tensile forces can be achieved with thin anchors. To increase the tensile force, several such actuators can be attached next to each other or in series. This includes the possibility of multiple anchor pairs ( 1 , 2nd ) magnetize by means of a common, cylindrical or non-cylindrical coil.

Falls die Länge des Aktors begrenzt ist, kann die Zugkraft durch Vergrößerung des Durchmessers erhöht werden.If the length of the actuator is limited, the tensile force can be increased by increasing the diameter.

Ein Vorteil dieser Erfindung gegenüber einer Anordnung mit zwei getrennten gegenläufig montierten Aktoren liegt in Einfachheit der erfindungsgemäßen Konstruktion, indem der Spulenwicklungskörper (3) als mechanische Führung beider Aktoren dienen kann und somit beide Anker per se zentriert sind und somit gegenläufige Kräfte beider Aktoren (1,2) in Bezug auf die Spule erzielt werden. Auf einen Spulenwickelkörper (3) kann verzichtet werden, indem eine gefestigte Spule oder ein gefestigtes Spulensystem verwendet wird, z.B. durch Verwendung von Backdraht oder andere Herstellungsverfahren. Ferner ist der Energiebedarf dieser Anordnung geringer als für zwei separate Aktoren, weil sich der „effektive“ Entmagnetisierungsfaktor bei Annäherung beider Anker dem deutlich kleineren Entmagnetisierungsfaktor des doppelt so langen Zylinders annähert, der entsteht, wenn sich beide Anker berühren. Auch entfällt ein Mehraufwand dadurch, dass nur ein Aktor zu montieren ist im Vergleich zu Zweien bei konventioneller Konstruktion mittels zweier gegenläufiger Aktoren.An advantage of this invention over an arrangement with two separate actuators mounted in opposite directions lies in the simplicity of the construction according to the invention in that the coil winding body ( 3rd ) can serve as a mechanical guide for both actuators and thus both anchors are centered per se and therefore opposing forces of both actuators ( 1 , 2nd ) with respect to the coil. On a bobbin ( 3rd ) can be dispensed with by using a fixed coil or a fixed coil system, for example by using baking wire or other manufacturing processes. Furthermore, the energy requirement of this arrangement is lower than for two separate actuators because the “effective” demagnetization factor when the two armatures approach each other approximates the significantly smaller demagnetization factor of the cylinder that is twice as long, which occurs when both armatures touch. There is also no additional effort due to the fact that only one actuator has to be installed in comparison to two in a conventional design by means of two opposing actuators.

Die zylindrischen Anker (1,2) des erfindungsgemäßen Aktors können auch mit je einem äußeren Kopf (5,6, 2) versehen sein. Dies erhöht die Zugkraft und ermöglicht auch eine weitere mechanische Führung der Anker mittels an die Köpfe der Anker angepassten Umhüllungen (8, 9, 6). Die Führung kann auch als durchgehende Umhüllung des Aktors ausgeführt werden (41, 7). Diese Umhüllung kann auch aus weichmagnetischem Material bestehen, womit der magnetische Fluss durch die Anker und somit die Zugkraft erhöht wird. Die Umhüllung kann auch doppelwandig (40,41) ausgeführt werden, wobei die innere Umhüllung (41) aus nichtmagnetischem Material bestehen kann, um die Reibung zwischen den Ankern (1,2) und der Umhüllung (41) und zu vermindern, während die äußere Umhüllung aus weichmagnetischem Material besteht.The cylindrical anchors ( 1 , 2nd ) of the actuator according to the invention can also each have an outer head ( 5 , 6 , 2nd ) be provided. This increases the tensile force and also enables further mechanical guidance of the anchors by means of envelopes adapted to the heads of the anchors ( 8th , 9 , 6 ). The guide can also be designed as a continuous covering of the actuator ( 41 , 7 ). This sheath can also consist of soft magnetic material, which increases the magnetic flux through the armature and thus the tensile force. The casing can also be double-walled ( 40 , 41 ) are carried out, the inner wrapping ( 41 ) made of non-magnetic material to reduce the friction between the anchors ( 1 , 2nd ) and the wrapping ( 41 ) and reduce, while the outer casing is made of soft magnetic material.

Zwecks Gewichtseinsparung können die Anker (1,2, 13) erfindungsgemäß auch einen kleineren Durchmesser haben als das Führungsrohr (3, 1) und zur Führung auch mit inneren Köpfen (43,44, 13) versehen werden. Um Verkantungsmöglichkeiten bei Änderung der Ankerpositionen zu reduzieren, können die Anker (1,2) auch mit abgerundeten Köpfen (5,6,43,44, 13) versehen werden.In order to save weight, the anchors ( 1 , 2nd , 13 ) according to the invention also have a smaller diameter than the guide tube ( 3rd , 1 ) and for leadership also with inner heads ( 43 , 44 , 13 ) are provided. To reduce the possibility of canting when changing the anchor positions, the anchors ( 1 , 2nd ) also with rounded heads ( 5 , 6 , 43 , 44 , 13 ) are provided.

Die 8 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Aktors, der bogenförmig gestaltet ist. Die Querschnitte der Komponenten (1,2,3,4) durch eine Ebene senkrecht zur Zeichenebene sind kreisförmig , elliptisch, rechteckförmig oder ähnlich, geformtThe 8th shows a variant of the actuator according to the invention, which is designed arcuate. The cross sections of the components ( 1 , 2nd , 3rd , 4th ) through a plane perpendicular to the plane of the drawing are circular, elliptical, rectangular or similar

Eine weitere Variante dieser Erfindung ist Ausführung des Aktuators in Quaderform (9a-c). Die Anker können an den Enden verdickt sein, analog zu den Köpfen (5,6) bei zylinderförmigen Aktoren (2). Ein Vorteil dieser Variante ist, dass durch die flache Ausführung der Aktor weniger Platz senkrecht zur Aktorachse benötigt als ein zylindrischer Aktor mit ähnlicher Kraft-Weg-Charakteristik. Der Aktor kann durch seine flache Form besser an das zu beeinflussende Volumen angepasst werden, wenn z.B. ein Volumen mittels der Zugkraft eines oder mehrerer Aktoren verkleinert werden soll. Die Spule (4) kann analog zu der zylinderförmigen Variante des Aktors ebenfalls inhomogen ausgeführt sein (1-4), mit größerer Amperewindungszahl pro cm längs der Aktorachse an den äußeren Spulenenden als im Mittelteil, mit separaten Anschlüssen der Spulensegmente und angepassten unterschiedlichen Drahtdurchmessern.A further variant of this invention is execution of the actuator in cuboid form ( 9a-c ). The anchors can be thickened at the ends, analogous to the heads ( 5 , 6 ) with cylindrical actuators ( 2nd ). One advantage of this variant is that the flat design means that the actuator takes up less space perpendicular to the actuator axis than a cylindrical actuator with a similar force-displacement characteristic. Due to its flat shape, the actuator can be better adapted to the volume to be influenced, for example if a volume is to be reduced by means of the tensile force of one or more actuators. The sink ( 4th ) can also be made inhomogeneous analogous to the cylindrical variant of the actuator ( 1-4 ), with a larger number of ampere turns per cm along the actuator axis at the outer coil ends than in the middle section, with separate connections of the coil segments and adapted different wire diameters.

Eine weitere Variante dieser Erfindung ist die Weiterentwicklung der Ausführung des quaderförmigen Aktors zu einer gewölbten Form, wobei die Anker (1,2) um die Längsachse (12) des Aktors bogenförmig gekrümmt sind (10a-c). Der Biegeradius und der Segmentwinkel (Φ) können der Anwendung entsprechend gewählt werden. So sind auch halbschalenförmige Aktoren möglich. Das Spulensystem kann der Form der Anker angepasst sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann das Spulensystem (4) inhomogen gewickelt sein. Ein Sonderfall ist, wenn die Krümmung einen Vollkreis erfasst, so dass der Aktor die Form eines Rohres bekommt.A further variant of this invention is the further development of the design of the cuboid actuator to a curved shape, the anchors ( 1 , 2nd ) around the longitudinal axis ( 12th ) of the actuator are curved in an arc ( 10a-c ). The bending radius and the segment angle ( Φ ) can be selected according to the application. Half-shell actuators are also possible. The coil system can be adapted to the shape of the armature. In this embodiment too, the coil system ( 4th ) be wound inhomogeneously. A special case is when the Curvature detects a full circle, so that the actuator takes the form of a tube.

Eine weitere Variante dieser Erfindung ist eine Ausführung, bei der ausgehend von der Vorstellung eines quaderförmigen Aktors dieser um eine Achse senkrecht zu seiner Längsachse (12,10c) gekrümmt ist.A further variant of this invention is an embodiment in which, starting from the idea of a cuboid actuator, it is about an axis perpendicular to its longitudinal axis ( 12th , 10c ) is curved.

Auch Ausführungen in Form von Kugelsegmenten der Anker (1,2, 11a-b) sind möglich. Die Spule (4) ist zylindrisch. Die 11a,b zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor zur Kompression eines Volumens (13).Also designs in the form of spherical segments of the anchors ( 1 , 2nd , 11a-b ) are possible. The sink ( 4th ) is cylindrical. The 11a, b shows an actuator according to the invention for compressing a volume ( 13 ).

Bei jeder dieser Varianten (8-11) können auch äußere mechanische Führungen entsprechend (8,9, 6) oder (40,41, 7) angebracht werden.With each of these variants ( 8-11 ) external mechanical guides can also be used accordingly ( 8th , 9 , 6 ) or ( 40 , 41 , 7 ) are attached.

Als Befestigung des Aktors kann die Wicklung bzw. ein damit fest verbundenes Werkstück dienen.The winding or a workpiece firmly connected to it can serve to fasten the actuator.

Die Anker können unterschiedlich geformt sein und die inhomogene Spule kann so ausgebildet werden, dass die Zugkräfte beider Anker unterschiedlich sind.The anchors can be shaped differently and the inhomogeneous coil can be designed so that the tensile forces of both anchors are different.

Aus den verschiedenen erfindungsgemäßen Varianten der Form des Aktors kann die für eine bestimmte Anwendung die bestgeeignete Form ausgewählt werden.The most suitable shape for a specific application can be selected from the various variants of the shape of the actuator according to the invention.

Die erfindungsgemäßen gewölbten Aktoren sind nicht auf sphärische Krümmungen beschränkt. Die Wölbungen können auch geometrisch allgemeiner geformt sein, z.B. ellipsoidförmig.The curved actuators according to the invention are not limited to spherical curvatures. The domes can also be geometrically more generally shaped, e.g. ellipsoidal.

Die in 11 als zylindrisches Rohr gezeichnete Spule (4) kann auch sphärisch, an die Führung (3) angepasst, sein.In the 11 coil drawn as a cylindrical tube ( 4th ) can also be spherical to the leadership ( 3rd ) be adjusted.

Wenn eine Rückstellkraft erforderlich ist, kann diese erfindungsgemäß durch zwischen den Ankern (1,2) im Inneren der Spule (4) angebrachte mechanische Federn erzeugt werden. Werden Anker (1,2) mit Kopf (5,6) benutzt, kann die Feder vorteilhaft außerhalb statt innerhalb der Spule (4) angebracht werden (10, 7). Im Falle der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß 6 können zwei Federn (10,11) eingesetzt werden. Bei den Ausführungen der Aktoren in gebogener oder gewölbter Form können auch zylindrische Federn statt an die Form angepasste nicht-zylindrische Federn zum Einsatz kommen.If a restoring force is required, this can be done according to the invention by between the anchors ( 1 , 2nd ) inside the coil ( 4th ) attached mechanical springs are generated. Become anchors ( 1 , 2nd ) with head ( 5 , 6 ), the spring can advantageously be used outside instead of inside the coil ( 4th ) be attached ( 10th , 7 ). In the case of the embodiment according to the invention 6 can two feathers ( 10th , 11 ) are used. When the actuators are designed in curved or curved form, cylindrical springs can also be used instead of non-cylindrical springs adapted to the shape.

In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bestehen die Anker (1,2) jeweils aus einem Teil eines weichmagnetischen Zylinders mit Abmessungen von 16mm Länge und 4.2mm Durchmesser. Die Enden sind mit je einem Kopf (5) von 7mm Durchmesser versehen. Der Spulenkörper (3) ist ein dünnwandiges Messingrohr mit 4.4mm Innendurchmesser. Die darauf gewickelte Spule (4) ist gemäß 2 ausgeführt mit je 150 Windungen von 0.22mmΦ Kupferlackdraht auf Breiten (30,31) von 3.5mm an beiden Stirnseiten (32,33) des Aktors und 100 Windungen von 0.4mmΦ Kupferlackdraht im Bereich (34) dazwischen. Mit einem 200ms andauernden Spulenstrom von 5A wird eine Zugkraft zwischen beiden Aktoren von ca. 2N erzielt, die sich erst bei Annäherung der beiden inneren Enden der Anker auf weniger als 4mm stark erhöht (5).In an exemplary embodiment according to the invention, the anchors ( 1 , 2nd ) each from a part of a soft magnetic cylinder with dimensions of 16mm length and 4.2mm diameter. The ends are each with a head ( 5 ) of 7mm diameter. The bobbin ( 3rd ) is a thin-walled brass tube with a 4.4mm inner diameter. The coil wound on it ( 4th ) is according to 2nd made with 150 turns of 0.22mmΦ enamelled copper wire across widths ( 30th , 31 ) of 3.5mm on both faces ( 32 , 33 ) of the actuator and 100 turns of 0.4mmΦ enamelled copper wire in the area ( 34 ) between. With a 200ms coil current of 5A, a tensile force between the two actuators of approx. 2N is achieved, which increases to less than 4mm only when the two inner ends of the armatures approach ( 5 ).

Die vorliegende Erfindung stellt ein System dar, mit dem im Gegensatz zu konventionellen Zugmagneten von einer Ausgangsposition der Anker aus eine über die Länge der Spule weitgehend konstante Zugkraft bei Stromfluß durch die Spule erzielt wird. Vom Bewegungsablauf gleicht das System einer biologischen Muskelfaser, bei der zwei Filamente aneinander vorbeigleiten. Durch diesen bionischen Ansatz können mittels des erfindungsgemäßen schlanken Aktors auf geringem Raum schnelle und präzise Bewegungen durchgeführt werden. Er kann zum Beispiel - einzeln oder im Verbund mehrerer solcher Aktoren- als künstlicher Muskel oder als Muskelunterstützungssystem beim Menschen (z.B. zur Unterstützung der Pumpfunktion des Herzens), in rein mechanischen Systemen wie Robotern oder in biologischen Systemen (z.B. Exoskeletten) zum Einsatz kommen (12). Er kann in solchen Systemen auch als Unterstützung anderer krafterzeugender Komponenten verwendet werden.The present invention represents a system with which, in contrast to conventional pulling magnets, a pulling force which is largely constant over the length of the coil when current flows through the coil is achieved from an initial position of the armature. In terms of movement, the system is like a biological muscle fiber, in which two filaments slide past each other. This bionic approach means that the slim actuator according to the invention enables fast and precise movements to be carried out in a small space. It can be used, for example - individually or in combination with several such actuators - as an artificial muscle or as a muscle support system in humans (e.g. to support the pumping function of the heart), in purely mechanical systems such as robots or in biological systems (e.g. exoskeletons) ( 12th ). In such systems, it can also be used to support other power-generating components.

Weitere Anwendungen sind miniaturisierte Medikamentenpumpen, die auch implantierbar sind. Ferner kann ein schlanker Aktor zur Betätigung eines künstlichen Augenlids eingesetzt werde. Ein sphärisch geformter Aktor kann auch zur Betätigung einer Iris eingesetzt werden.Other applications include miniaturized medication pumps that can also be implanted. A slim actuator can also be used to actuate an artificial eyelid. A spherically shaped actuator can also be used to actuate an iris.

Der Aktor kann auch invers benutzt werden. Dabei dient das Spulensystem zur Bestimmung der Positionen der Anker, indem die Induktivität gemessen wird, die von der Position der Anker abhängt. Auf diese Weise wirkt der Aktor bei Benutzung einer (10,7) oder zweier Zugfedern (10,11,6) als Sensor zur Messung von Zugkräften.The actuator can also be used inversely. The coil system is used to determine the positions of the armatures by measuring the inductance, which depends on the position of the armatures. In this way, the actuator acts when a ( 10th , 7 ) or two tension springs ( 10th , 11 , 6 ) as a sensor for measuring tensile forces.

Es zeigen:

Die 1 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Aktors. Ohne Stromfluß durch die Spulensystem (4) befinden sich die Anker (1) und (2) in der Ausgangsstellung. Bei Stromfluß ziehen sich die Anker in die Spule hinein und bewirken eine symmetrische Zugkraft zwischen den Ankern. Die Anker werden vom Spulenkörper (3) oder der Spule (4) mechanisch geführt. Das Spulensystem (4) kann aus den Segmenten (32,33,34) bestehen, die jeweils einzelne elektrische Stromanschlüsse besitzen können. Die äußeren Spulensegmente (32,33) besitzen die Breiten (30,31).
Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor bei dem die Anker (1,2) mit Köpfen (5,6) versehen sind.
Die 3 zeigt ein zweiteiliges Spulensystem (4) eines erfindungsgemäßen Aktors mit zwei Einzelspulen (32,33) jeweils an den Stirnseiten des Führungsrohres (3).
Die 4 zeigt ein inhomogen gewickeltes Spulensystem (4) eines erfindungsgemäßen Aktors. Hier ist die Wicklungsdichte in Richtung der Stirnseiten des Aktors gegenüber der Mitte des Aktors erhöht.
Die 5 zeigt den Vergleich der Kraft-Weg-Charakteristiken eines Aktors mit homogen gewickelter Spule und eines erfindungsgemäßen Aktors mit einer inhomogen gewickelten Spule mit je 150 Windungen konzentriert an den Stirnseiten des Führungsrohres (3) und 100 Windungen zwischen diesen Wicklungspaketen.
Die 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem eine zusätzliche radiale Führung der Anker (1,2) zur Verringerung der Verkantungsgefahr mittels äußerer Führungsrohre (8,9) angebracht ist. Zusätzlich kann eine Feder zwischen den Köpfen (5,6) angebracht sein, um eine Rückstellkraft zu erzeugen. Eine Feder kann auch zwischen den Ankern (1,2) im Innern des Führungsrohres (3) angebracht sein.
Die 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem das Führungsrohr aus einer Doppelstruktur besteht, bei der die den Ankerköpfen zugewandte Struktur (41) aus nichtmagnetischem Material besteht und die äußere Struktur (40) aus weichmagnetischem Material.
Die 8 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Aktors, der bogenförmig, den Winkel Φ umfassend, gestaltet ist. Der Winkel Φ, kann der speziellen Anwendung angepasst werden.
Die 9a-c zeigen drei Querschnitte durch die Mitte eines erfindungsgemäßen quaderförmigen Aktors, wobei alle Komponenten (die Aktoren (1,2), das Führungsrohr (3) sowie die Spule (4)) quaderförmigig gestaltet sind.
Die 10a-c zeigen drei Querschnitte durch die Mitte eines um die Längsachse (12) des Aktors gebogenen erfindungsgemäßen Aktors. Die Biegung der Anker umfasst den Winkel Φ, welcher der speziellen Anwendung angepasst werden kann.
Die 11 a,b zeigen Querschnitte durch die Mitte eines erfindungsgemäßen Aktors mit sphärisch geformten Ankern (1),(2) und zylindrischem Spulensystem (4). Die Wicklungsdrähte der Spule (4) stehen in 11a senkrecht aus der Schnittebene heraus. Ein Volumen (13) wird bei Stromfluß durch das Spulensystem komprimiert. Die Spule (4) kann auch den Ankern (1,2) angepasst sphärisch geformt sein. Zu den erfindungsgemäßen gebogenen Aktoren zählen auch solche, bei denen die Spulen eine von den Formen der Anker (1,2) abweichende Form haben.
Die 12 zeigt eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Aktors (16) zur Bewegung eines biologischen Gelenkes (15). Der Aktor verbindet die beiden Knochen (14,17) des Gelenkes. Der Aktor kann aus einer der erfindungsgemäßen geometrischen und spulenmäßigen Varianten bestehen.
Die 13 zeigt einen erfindungsgemäßen Aktor, bei dem die Anker aus einem dünneren Mittelteil (1,2) und jeweils zwei abgerundeten Köpfen im Inneren (43,44) und außerhalb (5,6) der Spule (4) bestehen.

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The 1 shows a variant of the actuator according to the invention. Without current flow through the coil system ( 4th ) are the anchors ( 1 ) and ( 2nd ) in the starting position. When the current flows, the armatures pull into the coil and cause a symmetrical tensile force between the armatures. The anchors are 3rd ) or the coil ( 4th ) mechanically guided. The coil system ( 4th ) can be from the segments ( 32 , 33 , 34 ) exist, which can have individual electrical power connections. The outer coil segments ( 32 , 33 ) have the widths ( 30th , 31 ).
The 2nd shows an actuator according to the invention in which the armature ( 1 , 2nd ) with heads ( 5 , 6 ) are provided.
The 3rd shows a two-part coil system ( 4th ) of an actuator according to the invention with two individual coils ( 32 , 33 ) each on the front of the guide tube ( 3rd ).
The 4th shows an inhomogeneously wound coil system ( 4th ) of an actuator according to the invention. Here, the winding density in the direction of the end faces of the actuator is increased compared to the center of the actuator.
The 5 shows the comparison of the force-displacement characteristics of an actuator with a homogeneously wound coil and an actuator according to the invention with an inhomogeneously wound coil with 150 turns each concentrated on the end faces of the guide tube ( 3rd ) and 100 turns between these winding packages.
The 6 shows an actuator according to the invention, in which an additional radial guidance of the armature ( 1 , 2nd ) to reduce the risk of jamming using outer guide tubes ( 8th , 9 ) is attached. In addition, a spring between the heads ( 5 , 6 ) be attached to generate a restoring force. A spring can also be placed between the anchors ( 1 , 2nd ) inside the guide tube ( 3rd ) to be appropriate.
The 7 shows an actuator according to the invention, in which the guide tube consists of a double structure, in which the structure facing the anchor heads ( 41 ) is made of non-magnetic material and the outer structure ( 40 ) made of soft magnetic material.
The 8th shows a variant of the actuator according to the invention, the arc, the angle Φ comprehensive, is designed. The angle Φ , can be adapted to the specific application.
The 9a-c show three cross sections through the center of a cuboid actuator according to the invention, all components (the actuators ( 1 , 2nd ), the guide tube ( 3rd ) and the coil ( 4th )) are designed cuboid.
The 10a-c show three cross sections through the center of one around the longitudinal axis ( 12th ) of the actuator bent actuator according to the invention. The bend of the anchors includes the angle Φ which can be adapted to the specific application.
The 11 a, b show cross sections through the center of an actuator according to the invention with spherically shaped armatures ( 1 ), ( 2nd ) and cylindrical coil system ( 4th ). The winding wires of the coil ( 4th ) stand in 11a vertically out of the cutting plane. A volume ( 13 ) is compressed when current flows through the coil system. The sink ( 4th ) can also be the anchors ( 1 , 2nd ) adapted to be spherically shaped. The curved actuators according to the invention also include those in which the coils have one of the shapes of the armatures ( 1 , 2nd ) have a different shape.
The 12th shows an application of an actuator according to the invention ( 16 ) to move a biological joint ( 15 ). The actuator connects the two bones ( 14 , 17th ) of the joint. The actuator can consist of one of the geometric and coil-like variants according to the invention.
The 13 shows an actuator according to the invention, in which the armature consists of a thinner central part ( 1 , 2nd ) and two rounded heads on the inside ( 43 , 44 ) and outside ( 5 , 6 ) the coil ( 4th ) consist.

Claims

Device for generating mechanical forces due to the forces between ferromagnetic bodies with one another and forces between ferromagnetic bodies and magnetic fields, characterized in that - the magnetic fields are generated by a coil system - ferromagnetic bodies interact with the designed magnetic fields generated by the coil system.

Actuator after Claim 1 , characterized in that two ferromagnetic bodies are influenced in opposite directions by a coil system.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic bodies consist of materials with a small coercive field strength and high saturation magnetization.

Actuator after Claims 1 - 2nd , characterized in that the ferromagnetic bodies are permanent magnetic.

Actuator after Claim 1 and one of the Claims 2 - 3rd , characterized in that the ferromagnetic bodies are cylindrical.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that mechanical springs are attached between the ferromagnetic bodies.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic bodies are cuboid.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic bodies are curved.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic bodies are thickened at one or both ends.

Actuator according to one of the preceding claims in any size (from the micro-robot to the construction site excavator) for executing movements.

Device for measuring mechanical forces consisting of ferromagnetic bodies, a coil system and mechanical springs - Due to the dependence of the inductance of the coil system on the position of the ferromagnetic body.

An artificial muscle, characterized in that it measures the forces between ferromagnetic bodies and between ferromagnetic bodies and magnetic fields according to one of the Claims 1 - 9 used - to generate movements in mechanical systems (robots) - in biological systems (muscles, exoskeletons) to support their intended functions