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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor, aufweisend ein Gehäuse aus einem weichmagnetischen Material, mindestens eine erste Magnetspule und einen axial entlang einer Symmetrieachse beweglich gelagerten Magnetanker, der über mindestens einen ersten axial zu der Symmetrieachse angeordneten Luftspalt und über mindestens einen ersten Magnetpol magnetisch mit dem Gehäuse zusammenwirkt, sowie eine rotierende Verschiebeeinrichtung, die den erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor enthält.
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Elektromagnetische Aktoren sind bekannt, auch elektromagnetische Aktoren, die mit rotierenden Verschiebeeinrichtungen, beispielsweise mit Kupplungsbetätigungen, zusammenwirken.
Dabei werden häufig Permanentmagnetmittel eingesetzt, die Schaltstößen und/oder erheblich wechselnden Magnetflüssen ausgesetzt sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstig herstellbaren elektromagnetischen Aktor und eine damit ausgerüstete Verschiebeeinrichtung zu beschreiben, die eine lange Lebensdauer bei hoher Zuverlässigkeit erreichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den ersten Patentanspruch und den achten Patentanspruch, soweit die Verschiebeeinrichtung betroffen ist.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Magnetanker ein erstes Permanentmagnetmittel und ein erstes Flussleitelement aufweist, die über einen radial angeordneten Luftspalt magnetisch und berührungslos mit einer axial verschieblichen im bestimmungsgemäßen Betriebszustand sich drehenden Schiebemuffe zusammenwirkend angeordnet sind, wobei die Schiebemuffe ein zweites Flussleitelement aufweist.
Die Richtung der axialen Beweglichkeit des Ankers und der Schiebemuffe ist durch geeignete Führungsmittel auf die gemeinsame Symmetrieachse des Gehäuses, des Magnetankers und der Schiebmuffe festgelegt.
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Durch die Übertragung der Bewegung des Magnetankers auf die Schiebemuffe über die permanentmagnetische Koppelung wird eine mechanische Reibung zwischen dem Magnetanker und der rotierenden Schiebemuffe vermieden, gleichzeitig ist aber das Permanentmagnetmittel den mechanischen Schaltstößen des Magnetankers nicht ausgesetzt. Durch den radialen Luftspalt zwischen dem Magnetanker und der Schiebmuffe können auch Toleranzen im Rundlauf ausgeglichen werden.
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Die abhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer ersten Ausführung weist das Gehäuse nur den ersten Magnetpol auf, wobei eine Bestromung der ersten Magnetspule eine anziehende Magnetkraft zwischen dem ersten Magnetpol und dem Magnetanker bewirkt und den Magnetanker in eine dem Magnetpol nähere Arbeitsstellung bringt. Dabei wird der erste axiale Luftspalt verkleinert.
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Als Arbeitsstellungen werden solche Stellungen des Ankers bezeichnet, die sich bei einer Bestromung einer der Magnetspulen ergeben, als Ruhestellung eine solche Stellung, die sich bei stromlosen Magnetspulen ergibt.
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Ist die erste Magnetspule nicht bestromt, wird der Magnetanker vorzugsweise durch ein Federmittel oder durch andere Kräfte in eine Ruhestellung zurückgedrückt.
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Der Magnetanker wird durch die hubabhängige Reluktanzkraft der beschriebenen Elektromagnetanordnung beaufschlagt, damit ist diese Kraft von der Richtung des elektrischen Stroms durch die erste Magnetspule unabhängig. Es wird für die Bewegung des Magnetankers allein auch keine permanentmagnetische Wirkung genutzt.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausführung umschließt das Gehäuse zwei Magnetspulen und weist zwei Magnetpole auf, wobei eine Bestromung der ersten Magnetspule eine anziehende Magnetkraft zwischen dem ersten Magnetpol und dem Magnetanker bewirkt und den Magnetanker in eine erste außermittige Arbeitsstellung bringt, und wobei eine Bestromung der zweiten Magnetspule eine anziehende Magnetkraft zwischen dem zweiten Magnetpol und dem Magnetanker bewirkt und den Magnetanker in eine zweite außermittige Arbeitsstellung bringt.
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Bei dieser Ausführung mit zwei Magnetspulen ist eine mittige Ruhestellung des Ankers als eine Stellung anzusehen, bei der beide Magnetspulen nicht bestromt sind und die beiden axialen Luftspalte zwischen den Magnetpolen einerseits und den zugeordneten Außenflächen des Magnetankers andererseits gleich groß sind.
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Durch die Anordnung von zwei Magnetspulen und zwei Magnetpolen in der Vorrichtung können zwei Arbeitsstellungen aktiv angesteuert werden. Damit können kürzere Schaltzeiten und höhere Schaltkräfte erreicht werden als bei einer Anordnung mit nur einer Magnetspule.
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Vorteilhafterweise ist der Magnetanker durch zwei Federmittel abgestützt, die in einem Zustand, bei dem beide Magnetspulen stromlos sind, den Magnetanker in einer mittigen Ruhestellung zwischen den Magnetpolen halten. Diese Federmittel können sich am Gehäuse abstützen, oder an anderen Bauteilen, die mit dem Aktor zusammenwirken. Dabei ist es auch in bekannter Weise ausführbar, nur ein Federmittel mit zentrierender Wirkung einzusetzen. Jedes Federmittel kann aus einer Mehrzahl von Spiralfedern bestehen, oder jeweils nur aus einer Spiralfeder.
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Die Federmittel sind vorteilhafterweise so mit dem Gehäuse und dem Magnetanker verbunden, dass sie auch den Magnetanker radial lagern. Damit ist eine andere Lagerung entbehrlich.
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Die Übertragung der Schaltbewegung von dem Magnetanker auf die Schiebemuffe erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der magnetische Fluss des ersten Permanentmagnetmittels durch das erste Flussleitelement und durch das auf der Schiebemuffe angeordnete zweite Flussleitelement bei einer axial gegen das erste Flussleitelement versetzten Lage des zweiten Flussleitelements eine axiale Komponente aufweist und dabei eine axial wirkende Kraft von dem Magnetanker auf die Schiebmuffe erzeugt, wobei diese Kraft eine solche Stärke und Richtung aufweist, dass die Schiebemuffe einer Bewegung des Magnetankers folgt.
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Die Flussleitelemente verstärken und fokussieren die Magnetkraft von dem Magnetanker auf die Schiebemuffe erheblich, so dass im Zusammenwirken mit einem radialen Luftspalt eine axiale Kraft übertragen werden kann. Die Flussleitelemente ermöglichen auch die Verwendung eines kleineren und kostengünstigeren Permanentmagnetmittels.
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Eine weitere Verstärkung der Magnetkraft von dem Magnetanker auf die Schiebemuffe wird dadurch erreicht, dass ein zweites Permanentmagnetmittel auf oder an der Schiebemuffe so angeordnet ist, dass es auf den magnetische Fluss durch das zweite Flussleitelement verstärkend wirkt, wobei das zweite Flussleitelement und das zweite Permanentmagnetmittel mit dem ersten Permanentmagnetmittel und dem ersten Flussleitelement magnetisch so zusammenwirkend angeordnet sind, dass eine axiale Verlagerung des Magnetankers relativ zu der Schiebemuffe eine axiale Kraftwirkung von dem Magnetanker auf die Schiebemuffe bewirkt.
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Vorteilhafterweise besteht das erste Permanentmagnetmittel aus einer Mehrzahl von hohlzylindrischen Permanentmagneten, die radial so magnetisiert sind, dass der n-te Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden in eine erste Richtung, nach außen oder nach innen, weist, während der (n+1)te Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden in die der ersten entgegengesetzte zweite radiale Richtung weist, und der (n+2)te Permanentmagnet, soweit er vorhanden ist, wieder mit seinem magnetischen Norden in die erste Richtung weist.
Dabei besteht auch das zweite Permanentmagnetmittel aus einer Mehrzahl von hohlzylindrischen Permanentmagneten, die radial so magnetisiert sind, dass der n-te Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden in die zweite Richtung weist, während der (n+1)te Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden in die erste Richtung weist und der (n+2)te Permanentmagnet, soweit er vorhanden ist, wieder mit seinem magnetischen Norden in die zweite Richtung weist,
und wobei die Permanentmagnetmittel zueinander so angeordnet sind, dass sich jeweils Permanentmagnete mit magnetischem Norden einerseits und mit magnetischem Süden andererseits an dem dritten Luftspalt gegenüberstehen.
Durch diese abwechselnde Magnetisierung wird eine gute Richtungsumlenkung zwischen den radialen Magnetkräften der Permanentmagnete und der axialen Betätigungswirkung der des Magnetankers auf die Schiebemuffe erreicht, und es ergibt sich eine erheblich verbesserte Ausnutzung des verfügbaren Bauraums und der verfügbaren Masse an Permanentmagnetmaterial, verglichen mit der Anwendung von nur einem Permanentmagneten.
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Vorteilhafterweise wird der erfindungsgemäße Aktor in einer rotierenden Verschiebeeinrichtung eingesetzt, wobei die Schiebemuffe des Aktors entweder auf einer Welle drehfest und axial verschieblich gelagert ist oder mit der Welle fest verbunden ist und zusammen mit der Welle axial verschieblich ist. Diese Welle kann auch eine Hohlwelle sein. Die Welle weist dieselbe Symmetrieachse auf wie das Gehäuse, der Magnetanker und die Schiebemuffe.
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Eine solche Verschiebeeinrichtung arbeitet verschleißfrei und benötigt nur sehr geringen Bauraum. Die elektromagnetische Betätigung ermöglicht auf besonders einfache Weite eine automatische Ansteuerung.
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Weiterhin vorteilhafterweise ist die axiale Verschieblichkeit der Schiebmuffe auf der Welle durch einen ersten mechanischen Anschlag und einen zweiten mechanischen Anschlag in beiden axialen Richtungen begrenzt ist. Diese Begrenzung dient auch dazu, ein Anschlagen des Magnetankers gegen einen der Magnetpole zu verhindern.
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Wenn die Schiebemuffe mit der Welle fest verbunden ist, müssen die mechanischen Anschläge auf die Welle und die Schiebemuffe gemeinsam wirken.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung anhand der Zeichnung.
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Es zeigt:
- 1 einen Teilschnitt des elektromagnetischen Aktors, es wird nur eine Hälfte gezeigt
- 2 einen Teilschnitt der Verschiebeeinrichtung mit dem Aktor.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor 1 mit einem Gehäuse 2, mindestens einer ersten Magnetspule 3 und einem Magnetanker 5, der über mindestens einen ersten zu einer Symmetrieachse 15 des Gehäuses 2 axial angeordneten Luftspalt 6 magnetisch mit dem Gehäuse 2 zusammenwirkt.
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Der Magnetanker 5 weist ein erstes Permanentmagnetmittel 21 und ein erstes Flussleitelement 24 auf, die über einen radial zu der Symmetrieachse 15 angeordneten dritten Luftspalt 23 magnetisch und berührungslos mit einer zu der Symmetrieachse 15 axial verschieblichen im bestimmungsgemäßen Betriebszustand rotierenden Schiebemuffe 20 zusammenwirkend angeordnet sind, wobei die Schiebemuffe 20 ein zweites Flussleitelement 25 aufweist.
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Das Gehäuse 2 umschließt zwei Magnetspulen 3, 4 und weist zwei Magnetpole 8, 9 auf, wobei eine Bestromung der ersten Magnetspule 3 eine anziehende Magnetkraft zwischen dem ersten Magnetpol 8 und dem Magnetanker 5 bewirken kann und den Magnetanker 5 in eine erste außermittige Arbeitsstellung bringen kann, und wobei eine Bestromung der zweiten Magnetspule 4 eine anziehende Magnetkraft zwischen dem zweiten Magnetpol 9 und dem Magnetanker 5 bewirken kann und den Magnetanker 5 in eine zweite außermittige Arbeitsstellung bringen kann.
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Der magnetische Fluss des ersten Permanentmagnetmittels 21 durch das erste Flussleitelement 24 und durch das auf der Schiebemuffe 20 angeordnete zweite Flussleitelement 25 weist bei einer axial gegen das erste Flussleitelement 24 versetzten Lage des zweiten Flussleitelements 25 eine axiale Komponente auf und übt dabei eine axial wirkende Kraft von dem Magnetanker 5 auf die Schiebmuffe 20 aus, wobei diese Kraft eine solche Stärke und Richtung aufweist, dass die Schiebemuffe 20 einer Bewegung des Magnetankers 5 folgen kann.
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Ein zweites Permanentmagnetmittel 22 ist auf der Schiebemuffe 20 so angeordnet, dass es auf den magnetischen Fluss durch das zweite Flussleitelement 25 verstärkend wirkt, wobei das zweite Flussleitelement 25 und das zweite Permanentmagnetmittel 22 mit dem ersten Permanentmagnetmittel 21 und dem ersten Flussleitelement 24 magnetisch so zusammenwirkend angeordnet sind, dass eine axiale Verlagerung des Magnetankers 5 eine axiale Kraftwirkung auf die Schiebemuffe 20 bewirkt.
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Das erste Permanentmagnetmittel 21 besteht aus einer Mehrzahl von hohlzylindrischen Permanentmagneten, die radial abwechselnd so magnetisiert sind, dass der erste Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden nach außen weist, während der zweite Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden nach innen weist.
Dabei besteht auch das zweite Permanentmagnetmittel 22 aus einer Mehrzahl von hohlzylindrischen Permanentmagneten, die radial abwechselnd so magnetisiert sind, dass erste Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden nach innen weist, während der zweite Permanentmagnet mit seinem magnetischen Norden nach außen weist.
Dabei sind die Permanentmagnetmittel 21, 22 zueinander so angeordnet, dass sich jeweils Permanentmagnete mit magnetischem Norden einerseits und mit magnetischem Süden andererseits gegenüberstehen.
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Entsprechend 2 ist der Magnetanker 5 durch zwei Federmittel 10, 11 axial abgestützt, die in einem Zustand, bei dem beide Magnetspulen 3, 4 stromlos sind, den Magnetanker 5 in einer mittigen Ruhestellung zwischen den Magnetpolen 8, 9 halten können.
Die Federmittel 10, 11 führen auch den Magnetanker 5 radial.
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Die 2 zeigt die rotierende Verschiebeeinrichtung 30, die eine Welle 31 und einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor 1, wobei die Schiebemuffe 20 des Aktors 1 auf der Welle 31 drehbar und axial verschieblich gelagert ist, und wobei die Welle 31 dieselbe Symmetrieachse 15 aufweist wie das Gehäuse 2.
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Die axiale Verschieblichkeit der Schiebemuffe 20 ist auf der Welle 31 durch einen ersten mechanischen Anschlag 32 und einen zweiten mechanischen Anschlag 33 in beiden axialen Richtungen begrenzt.
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Die vorhergehende Beschreibung gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktor
- 2
- Gehäuse
- 3
- erste Magnetspule
- 4
- zweite Magnetspule
- 5
- Magnetanker
- 6
- erster Luftspalt
- 7
- zweiter Luftspalt
- 8
- erster Magnetpol
- 9
- zweiter Magnetpol
- 10
- erstes Federmittel
- 11
- zweites Federmittel
- 15
- Symmetrieachse
- 20
- Schiebemuffe
- 21
- erstes Permanentmagnetmittel
- 22
- zweites Permanentmagnetmittel
- 23
- dritter Luftspalt
- 24
- erstes Flussleitelement
- 25
- zweites Flussleitelement
- 30
- Verschiebeeinrichtung
- 31
- Welle
- 32
- erster mechanischer Anschlag
- 33
- zweiter mechanischer Anschlag
