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Die Erfindung betrifft ein bistabiles Kippsystem zur Verwendung als Haft- oder Hubmagnet.
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Im Stand der Technik werden üblicherweise einfache Elektromagnete bestehend aus einer Spule sowie zumeist einem offenen Eisenkern als Haft- und Hubmagnete, beispielsweise für Moniereisen, verwendet, die es in einfacher Weise erlauben, Objekte zu heben, zu halten und beim Abschalten des Stroms abzuwerfen. Jedoch besteht ein erster Nachteil dieser Elektromagnete bereits darin, dass diese ein Objekt nur halten können, solange Strom durch die Spule des Elektromagneten fließt, was zu einem hohen Energieverbrauch und zu einer verringerten Betriebssicherheit im Fall eines Stromausfalls führt.
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Zudem schalten diese aus dem Stand der Technik bekannten Elektromagnete beim Ausschalten des Stroms nicht vollständig und sauber ab, wobei typischerweise eine Restmagnetisierung im Bereich von etwa 15 % verbleibt, sodass ein mittels des Magneten gehobener Gegenstand, beispielsweise ein Moniereisen, zunächst weiterhin teils angezogen wird und dadurch nur zeitlich und räumlich ungenau abgeworfen werden kann.
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Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik im Zusammenhang mit Magnetventilen doppeltwirkende Impulsmagnete bekannt, die zur Betätigung eines Ventilschiebers verwendet werden. Diese Impulsmagnete können bistabil sein, wobei die Polung dieser Magnete mittels eines Stromimpulses umgekehrt werden kann. Diese Impulsmagnete sind jedoch zum einen aufgrund ihrer Magnetstärke zwar als Stellmagnete für einen Ventilschieber, nicht jedoch als Haft- oder Hubmagnete geeignet. Zum anderen weisen diese Impulsmagnete eine große Bauform auf, da für einen solchen umpolbaren Impulsmagnet der Magnet selber eine große Länge im Verhältnis zu seinem Querschnitt aufweisen muss, damit es zu keiner sofortigen Selbstentmagnetisierung kommt und der Impulsmagnet bistabil ist.
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Auch eine Anordnung mehrerer dieser Stellmagnete nebeneinander oder hintereinander zur Erhöhung der Haltekraft des Magneten ist nicht möglich, da eine solche Anordnung lediglich zu einer stärkeren Selbstentmagnetisierung führen würde. Zuletzt ist ein solcher Impulsmagnet auch nicht als Hubmagnet geeignet, da dessen Magnetisierung nur umpolbar, jedoch nicht abschaltbar ist, sodass ein gehaltener Gegenstand nicht präzise abgeworfen werden kann.
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Die Druckschrift
US 6,229,422 B1 offenbart ein schaltbares Haltemagnetsystem mit einem zentralen Polstück, das eine zentrale Polfläche bereitstellt, sowie mit einem magnetisch durchlässigen Rahmen, der die Bauteile des Haltemagnetsystems im Wesentlichen umgibt. Im Inneren des Haltemagnetsystems zwischen einer Trägerplatte und dem zentralen Polstück sind zwei schaltbare Permanentmagnete und neben diesen ersten Permanentmagneten zwei weitere Permanentmagnete mit einer wesentlich höheren Energie als die der ersten Permanentmagnete angeordnet. Weiterhin ist eine Spule vorgesehen, die sowohl die ersten als auch die zweiten Permanentmagnete umgibt. Durch ein Erregen der Spule mit einem Stromimpuls kann die Richtung der Polarisation der ersten Magnete umgekehrt und dadurch der von den zweiten Magneten erzeugte Fluss effektiv kurzgeschlossen und somit das Halten beendet werden. Ein Erregen der Spule in der entgegengesetzten Richtung ermöglicht es dann, die ersten Magnete parallel zu den zweiten Magneten zu polarisieren, wodurch das Halten wieder bewirkt wird. Jedoch weist das schaltbare Haltemagnetsystem eine große Bauform auf, die auch nicht ohne weiteres verringert werden kann, da ein bloßes Herunterskalieren in allen drei Raumrichtungen zu einer deutlich abnehmenden magnetischen Haltekraft führt und ein Verringern der Baugrößen in nur einer oder zwei Größenordnungen das Verhältnis der Länge zur Austrittsfläche der enthaltenen Magneten ändert und somit eine Selbstentmagnetisierung begünstigt, wodurch ein dauerhaftes Halten nicht mehr möglich ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein bistabiles Kippsystem zur Verwendung als Haft- oder Hubmagnet bereitzustellen, das einen kompakten Aufbau aufweist und zugleich einen Gegenstand dauerhaft und sicher halten sowie räumlich und zeitlich genau abwerfen kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein bistabiles Kippsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße kompakte bistabile Kippsystem zur Verwendung als Haft- oder Hubmagnet weist mehrere hartmagnetische Permanentmagnete sowie eine durch einen Stromimpuls zwischen zwei Zuständen umpolbare Magneteinheit auf, wobei die Magneteinheit mehrere in einer Reihe angeordnete umpolbare Magnete aus einem halbhartmagnetischen Werkstoff sowie eine Spule zum Umpolen des Magneten aufweist, und wobei die umpolbare Magneteinheit die Permanentmagnete im ersten Zustand kurzschließt, sodass das bistabile Kippsystem nach Außen im Wesentlichen unmagnetisch ist, und die umpolbare Magneteinheit mit den Permanentmagneten im zweiten Zustand derart zusammenwirkt, dass das Magnetfeld der Permanentmagnete verstärkt wird. Zudem umgibt die Spule zum Umpolen erfindungsgemäß alle umpolbaren Magnete zugleich, wobei alle hartmagnetischen Permanentmagnete außerhalb der Spule angeordnet sind. Schließlich erstrecken sich die Permanentmagnete über wenigstens 75 % der Länge des bistabilen Kippsystems und sind dabei parallel zu den umpolbaren Magneten angeordnet, wobei sich die hartmagnetischen Permanentmagnete bis auf eine Abweichung von höchstens 20 % über die gleiche Länge wie die umpolbaren Magnete erstrecken.
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Der Erfinder hat erkannt, dass mittels einer umpolbaren Magneteinheit ein Permanentmagnet wahlweise verstärkt oder kurzgeschlossen werden kann, sodass ein als Haltemagnet verwendbares bistabiles Kippsystem erhalten wird. Dabei besteht zum einen der Vorteil, dass nur zum Umschalten zwischen den beiden Zuständen Energie benötigt wird. Dabei stellt jedoch ein kompakter Aufbau eines solchen bistabilen Kippsystems, insbesondere mit einer besonders geringen Bauhöhe, eine besondere Herausforderung dar. Zum einen muss dabei der umpolbare Magnet ein ausreichend großes Volumen haben, um die gleiche Magnetfeldstärke wie die des Permanentmagneten zu besitzen und somit den Permanentmagneten kurzschließen zu können, sodass das bistabile Kippsystem insgesamt unmagnetisch sein kann. Zum anderen führt jedoch ein großer Durchmesser bzw. eine große Austrittsfläche der umpolbaren Magnete im Verhältnis zu deren Länge zu einer schnellen Selbstentmagnetisierung, sodass ein solcher umpolbarer Magnet nicht stabil ist und somit in einem bistabilen System nicht verwendet werden kann. Die Forderung an eine kompakte Bauweise erlaubt jedoch nur geringe Längen des umschaltbaren Magneten, sodass es nicht möglich ist, auf einfache Weise zur Erfindung zu gelangen.
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Unter einem bistabilen Kippsystem wird zunächst eine Vorrichtung verstanden, die zwischen zwei stabilen Zuständen schaltbar ist und sich dabei insbesondere stets in einem dieser beiden Zustände befindet. Bevorzugt sind keine weiteren Zustände vorgesehen oder möglich. Entsprechend bedeutet bistabil, dass jeder der Zustände bevorzugt dauerhaft stabil ist, wobei es grundsätzlich ausreicht, dass jeder Zustand über eine längere Dauer, bevorzugt für wenigstens eine Stunde, besonders bevorzugt für wenigstens einen Tag und ganz besonders bevorzugt für wenigstens zehn Tage stabil ist. Dazu ist bevorzugt im Wesentlichen keine weitere Energiezufuhr notwendig.
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Das bistabile Kippsystem ist erfindungsgemäß vorgesehen, als Haft- oder Hubmagnet, insbesondere für Rohre, Moniereisen und/oder Moniereisengestelle, verwendet zu werden. Dazu ist das bistabile Kippsystem stark genug, einen solchen Gegenstand in einem der beiden Zustände zu halten. Um als Haft- oder Hubmagnet verwendet werden zu können, muss das bistabile Kippsystem eine entsprechende Form haben und dabei insbesondere wenigstens eine zum Halten und/oder zum Heben eines Gegenstandes vorgesehene, vorzugsweise flache Oberfläche aufweisen.
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Um beispielsweise in eine industrielle Anlage integriert werden zu können, weist das erfindungsgemäße bistabile Kippsystem eine kompakte Bauform auf. Dazu beträgt das Verhältnis der Breite oder der Länge zu der Höhe bevorzugt zwischen 50:1 und 2:1, besonders bevorzugt zwischen 25:1 und 3:1 und ganz besonders bevorzugt zwischen 20:1 und 4:1. Insbesondere bevorzugt ist, dass das Verhältnis der Länge des bistabilen Kippsystems entlang der Längsrichtung eines stabförmigen Permanentmagneten zu der Höhe zwischen 50:1 und 5:1, besonders bevorzugt zwischen 40:1 und 10:1 und ganz besonders bevorzugt zwischen 30:1 und 15:1 beträgt. Dabei ist die Höhe vorzugsweise die Raumrichtung rechtwinklig zur Oberfläche des bistabilen Kippsystems zum Halten und/oder zum Heben eines Gegenstandes und ist besonders bevorzugt durch den Abstand der Außenseiten zweier sich gegenüberliegender Polschuhe des bistabilen Kippsystems gegeben. Vorzugsweise beträgt die Höhe des bistabilen Kippsystems unter 55 mm, besonders bevorzugt unter 50 mm und ganz besonders bevorzugt unter 45 mm.
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Bei den hartmagnetischen Permanentmagneten handelt es sich um dauerhafte, nicht umschaltbare, nicht ausschaltbare und/oder insbesondere nicht umpolbare Magnete, die aus einem Material gebildet sind, das eine sehr hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen und somit stabil gegenüber äußeren Einflüssen, insbesondere äußeren Magnetfeldern, sind. Insbesondere weisen die Permanentmagnete keine bzw. nahezu keine Selbstentmagnetisierung auf. Grundsätzlich können die Permanentmagnete beliebig innerhalb des bistabilen Kippsystems angeordnet sein, wobei sich die Permanentmagnete erfindungsgemäß über den überwiegenden Teil der Länge, nämlich über wenigstens 75 % und bevorzugt über wenigstens 90 % des bistabilen Kippsystems erstrecken, um die notwendige Magnetstärke zu erreichen.
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Die Magneteinheit des bistabilen Kippsystems ist erfindungsgemäß umpolbar und weist dabei bevorzugt ausschließlich umpolbare Magnete und/oder keine Permanentmagnete auf. Grundsätzlich ist die Magneteinheit zwischen wenigstens zwei und bevorzugt zwischen genau zwei Zuständen schaltbar, wobei besonders bevorzugt sämtliche umschaltbaren Magnete der Magneteinheit in den beiden Zuständen zueinander entgegengerichtete Polungs- bzw. Magnetfeldrichtungen aufweisen. Erfindungsgemäß weist die Magneteinheit mehrere umpolbare Magnete und wenigstens eine Spule auf. Besonders bevorzugt sind alle umpolbaren Magnete des bistabilen Kippsystems Teil der Magneteinheit und erfindungsgemäß im Inneren einer, bevorzugt einer einzigen Spule der Magneteinheit angeordnet. Grundsätzlich kann die Magneteinheit noch weitere beliebige Bauteile aufweisen, wobei bevorzugt kein weiteres Bauteil der Magneteinheit ein Magnetfeld aufweist oder erzeugen kann.
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Die umpolbaren Magnete der Magneteinheit sind erfindungsgemäß aus einem halbhartmagnetischen Werkstoff und bevorzugt aus einer halbhartmagnetischen Legierung gebildet. Dabei kann jeder dieser Magnete durch ein äußeres Magnetfeld ummagnetisiert werden, sodass die magnetischen Pole vertauschbar bzw. umschaltbar sind. Vorzugsweise sind die umpolbaren Magnete derart gebildet, dass diese zudem eine geringe Selbstentmagnetisierung aufweisen und somit eine durch ein äußeres Magnetfeld vorgegebene Magnetisierung bevorzugt dauerhaft, wenigstens aber über einen Zeitraum von einer Stunde, bevorzugt wenigstens einem Tag und besonders bevorzugt wenigstens zehn Tagen halten. Bevorzugt ist jeder umpolbare Magnet ein Impulsmagnet. Ebenfalls bevorzugt sind alle umpolbaren Magnete des bistabilen Kippsystems identisch zueinander und/oder aus dem gleichen Material gebildet und/oder weisen eine zueinander identische Form und/oder Größe auf.
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Bei der Spule kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Einheit zum Erzeugen eines magnetischen Feldes und/oder zum anderweitigen Umpolen des umpolbaren Magneten handeln. Bevorzugt ist die Spule aus Metall und besonders bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet. Weiterhin besonders bevorzugt ist die Spule aus Kupferdraht gebildet und ganz besonders bevorzugt ist der Kupferdraht mit einer Isolationslackschicht oder einer anderweitigen Isolierung versehen. Auch kann ein die Spule bildender Draht zunächst einen beliebigen Durchmesser haben, wobei der Widerstand bzw. der Durchmesser des Drahtes an den vorgesehenen Maximalstrom angepasst sein muss. Bevorzugt beträgt der Drahtdurchmesser dabei zwischen 0,01 mm und 10 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 mm und 5 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,25 mm und 1 mm. Grundsätzlich kann die Spule beliebig viele Wicklungen aufweisen, wobei eine höhere Wicklungszahl aufgrund der damit einhergehenden höheren Magnetfeldstärke bevorzugt wird. Da jedoch der Bauraum für die Spule begrenzt ist, sind nicht beliebig viele Wicklungen möglich. Bevorzugt wird daher eine Wicklungszahl zwischen 200 und 5000, besonders bevorzugt zwischen 500 und 2000 und ganz besonders bevorzugt zwischen 750 und 1250.
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Im ersten Zustand wird erfindungsgemäß der magnetische Kreis im bistabilen Kippsystem und insbesondere dabei zwischen dem Permanentmagneten und der umpolbaren Magneteinheit kurzgeschlossen, sodass das bistabile Kippsystem insgesamt bzw. nach Außen im Wesentlichen unmagnetisch ist. Bevorzugt sind dazu im ersten Zustand die Energien und/oder die jeweilige Feldstärke des Magnetfeldes gleich groß, um eine möglichst vollständige Aufhebung des Gesamtmagnetfeldes bzw. der Gesamtmagnetfeldstärke des bistabilen Kippsystems zu erreichen. Dabei ist das erfindungsgemäße bistabile Kippsystem grundsätzlich zunächst nur in einem Bereich einer einzigen Oberfläche, bevorzugt auf einer Oberfläche eines der Polschuhe und besonders bevorzugt auf den Oberflächen der beiden sich gegenüberliegenden Polschuhe im Wesentlichen unmagnetisch, während in anderen Bereichen und/oder Richtungen keine vollständige Kompensation der Magnetfelder des wenigstens einen Permanentmagneten und der wenigstens einen Magneteinheit gegeben sein muss. Unter einem im Wesentlichen unmagnetischen Zustand wird verstanden, dass die Magnetstärke in diesem Zustand bevorzugt weniger als 10 %, besonders bevorzugt weniger als 5 %, ganz besonders bevorzugt weniger als 2 % und insbesondere bevorzugt weniger als 0,5 % der Magnetfeldstärke aller Permanentmagneten oder des bistabilen Kippsystems im eingeschalteten zweiten Zustand beträgt.
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Im zweiten Zustand wird das Magnetfeld des wenigstens einen Permanentmagneten und bevorzugt aller Permanentmagnete des bistabilen Kippsystems durch wenigstens einen und bevorzugt durch alle umpolbaren Magnete der Magneteinheit verstärkt. Diese Verstärkung kann zunächst beliebig groß sein. Bevorzugt wird die Magnetfeldstärke aller Permanentmagnete um wenigstens 20 %, besonders bevorzugt um wenigstens 50 % und ganz besonders bevorzugt um wenigstens 75 % erhöht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen bistabilen Kippsystems weist wenigstens ein umpolbarer Magnet, bevorzugt jeder der umpolbaren Magnete eine zylindrische Form auf. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ der Durchmesser bzw. die Breite und/oder die Länge einer Austrittsfläche des umpolbaren, besonders bevorzugt jedes umpolbaren Magneten kleiner als dessen Länge winklig, insbesondere rechtwinklig zur Austrittsfläche, da die Austrittsfläche im Verhältnis zur Länge des umpolbaren Magneten klein sein sollte, um eine Selbstentmagnetisierung zu verhindern bzw. zu verringern. Daher werden möglichst lange und möglichst dünne umpolbare Magnete bevorzugt, wobei dann jedoch nicht mehr ohne weiteres das notwendige Magnetvolumen zum Kurzschließen bzw. Kompensieren der Permanentmagnete erreicht wird. Die Forderung nach einem möglichst geringen Durchmesser der umpolbaren Magnete im Zusammenhang mit einer besonders geringen Bauhöhe und/oder einer besonders kompakten Form des bistabilen Kippsystems machen dessen Konstruktion äußerst kompliziert.
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Da ein unzureichendes Verhältnis des umpolbaren Magneten von der Höhe zur Austrittsfläche zu einer beschleunigten Selbstentmagnetisierung führt, beträgt das Verhältnis zwischen der Länge und dem Durchmesser bzw. der Breite des umpolbaren Magneten bevorzugt zwischen 0,8 und 10, besonders bevorzugt zwischen 0,9 und 5, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 und insbesondere bevorzugt zwischen 1 und 2. Zudem führt eine Verbreiterung der umpolbaren Magnete zu einem geringeren magnetischen Widerstand und dabei ebenfalls zu einer stärkeren Selbstentmagnetisierung. Die Länge des umpolbaren Magneten entspricht bevorzugt der Höhe des Zylinders. Die Austrittsfläche eines umpolbaren Magneten ist bevorzugt rund bzw. kreisförmig.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bistabilen Kippsystems weist zwischen 2 und 20, bevorzugt zwischen 3 und 15, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 und insbesondere bevorzugt genau 7 in einer Reihe und in gleichem Abstand zueinander angeordnete umpolbare Magnete auf, wodurch einerseits das Volumen der umpolbaren Magnete im bistabilen Kippsystem erhöht werden kann sowie zugleich ein wünschenswertes Verhältnis zwischen der Austrittsfläche und der Höhe des Magneten erhalten bleibt und andererseits eine Selbstentmagnetisierung eines umpolbaren Magneten durch einen benachbart angeordneten umpolbaren Magneten aufgrund der beabstandeten Anordnung in einer Reihe vermieden wird. Dabei sind bevorzugt mehrere und insbesondere alle umpolbaren Magnete über die Länge des bistabilen Kippsystems, insbesondere gleichmäßig, verteilt. Ebenfalls bevorzugt weist jeder einzelne umpolbare Magnet entlang der Reihe von umpolbaren Magneten einen gleichen Abstand zu dem jeweils danebenliegenden umpolbaren Magneten auf bzw. alle umpolbaren Magnete sind in einer äquidistanten Verteilung angeordnet. Ein Abstand der einzelnen umpolbaren Magnete zueinander ist schon deshalb wichtig, da sich die umpolbaren Magnete bei einem zu geringen Abstand gegenseitig entmagnetisieren können. Bevorzugt beträgt daher der Abstand benachbarter umpolbarer Magnete zwischen dem 1- und 10-fachen, besonders bevorzugt zwischen dem 1,5- und 5-fachen, ganz besonders bevorzugt zwischen dem 1,8- und 2,5-fachen und insbesondere bevorzugt etwa dem 2-fachen des Durchmessers oder der Breite des umpolbaren Magneten in Richtung auf den benachbarten umpolbaren Magneten.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Spule zum Umpolen alle umpolbaren Magnete zugleich umgibt, wobei die Spule alle umpolbaren Magnete bevorzugt mit jeder Windung umgibt und besonders bevorzugt die Windungen nur außerhalb und/oder nicht zwischen zwei umpolbaren Magneten verlaufen. Obwohl die Spule grundsätzlich beliebig viele Windungen haben kann, weist jede Spule bevorzugt zwischen 200 und 5000 Windungen, besonders bevorzugt zwischen 500 und 2000 Windungen, ganz besonders bevorzugt zwischen 750 und 1250 Windungen und insbesondere bevorzugt zwischen 900 und 1000 Windungen auf. Auch kann jede Spule grundsätzlich aus einem Draht mit einem beliebigen Durchmesser gebildet sein. Bevorzugt ist jede Spule jedoch aus einem Draht mit einem Durchmesser zwischen 0,1 und 2 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 1 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6 mm und ganz besonders bevorzugt genau 0,5 mm gebildet.
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Bevorzugt weist das bistabile Kippsystem eine einzige Spule und besonders bevorzugt genau zwei Spulen auf, die ganz besonders bevorzugt parallel zueinander und/oder jeweils alle umpolbaren Magnete umgebend angeordnet sind. Eine Anordnung von zwei Spulen ist besonders vorteilhaft, weil dadurch der maximale Widerstand durch die Spulen herabgesetzt werden kann, wodurch das bistabile Kippsystem bei kompakterer Bauweise in einem Drehstromnetz und/oder mit weiteren bistabilen Kippsystemen in Reihe angeschlossen betrieben werden kann. Die beiden Spulen sind ebenfalls bevorzugt identisch zueinander gebildet. Die Spule bzw. die Spulen nehmen bevorzugt den gesamten nicht mit Magneten gefüllten Raum im Inneren des bistabilen Kippsystems ein, insbesondere zwischen zwei außenliegenden Polschuhen und/oder zwischen anderweitigen Gehäusebauteilen.
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Um eine gute sowie möglichst vollständige Abschaltbarkeit im ersten Zustand und zugleich eine starke Magnetkraft im zweiten Zustand zu erreichen, ist es wichtig, ein u.a. von den jeweiligen Magnetfeldstärken des Permanentmagneten und der umpolbaren Magnete abhängiges Verhältnis möglichst genau zu erreichen, da nur dann in beiden Zuständen eine optimale Wirkung erreicht wird. Entsprechend beträgt das Volumenverhältnis des halbhartmagnetischen Werkstoffs der umpolbaren Magnete, insbesondere des halbhartmagnetischen Werkstoffs der umpolbaren Magnete ausschließlich im Inneren der Spule, zu dem hartmagnetischen Material der Permanentmagnete zwischen 1:1 und 1:5, bevorzugt zwischen 1:1,5 und 1:3, besonders bevorzugt zwischen 1:2 und 1:3, ganz besonders bevorzugt zwischen 1:2,5 und 1:3 und insbesondere bevorzugt genau 1:2,7. Grundsätzlich hängt dieses Verhältnis jedoch im Detail u.a. von den verwendeten Werkstoffen der Magnete sowie der weiteren Bauteile des bistabilen Kippsystems und zudem von der Form und Geometrie des bistabilen Kippsystems ab.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bistabilen Kippsystems weist beidseitig der umpolbaren Magnete und/oder sich über die gesamte Oberfläche des bistabilen Kippsystems erstreckende Polschuhe auf, die bevorzugt aus einem ferritischen Stahl gebildet sind, die in vorteilhafter Weise die magnetischen Eigenschaften des bistabilen Kippsystems optimieren. Bevorzugt sind die Polschuhe außenliegend und/oder die Oberfläche des bistabilen Kippsystems bildend angeordnet. Dazu sind die Polschuhe besonders bevorzugt flach und/oder weisen bevorzugt eine ebene Oberfläche auf. Grundsätzlich können die Polschuhe aus einem beliebigen Material gebildet sein. Bevorzugt sind die Polschuhe aus Stahl, insbesondere allgemeinem Baustahl, besonders bevorzugt einem im Wesentlichen, insbesondere zu mehr als 90 % ferritischem Stahl, ganz besonders bevorzugt aus Stahl St 37 bzw. 1.0038 gebildet.
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Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn das erfindungsgemäße bistabile Kippsystem eine geschlossene Bauform aufweist, bei der wenigstens drei, bevorzugt alle vier Seiten zwischen den beiden Polschuhen geschlossen sind, wobei besonders bevorzugt an einer dem Permanentmagneten zugewandten Seite eine insbesondere bevorzugt aus dem gleichen Material wie die umpolbaren Magnete gebildete Deckplatte angeordnet ist und/oder an wenigstens zwei, sich bevorzugt gegenüberliegenden Seiten eine Seitenplatte angeordnet ist. Dabei erstrecken sich die Seitenplatten und/oder die Deckplatte bevorzugt über die gesamte Seite und/oder verschließen die Seite vollständig. Eine geschlossene Bauform wird auch deshalb bevorzugt, weil in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Spule im Inneren des bistabilen Kippsystems zusätzlich vergossen wird, um eine verbesserte Isolation und/oder Durchschlagsicherheit zu erreichen. Die Seitenplatten sind weiterhin bevorzugt als Bleche und/oder aus Stahl, insbesondere Stahl 1.4301, gebildet. Besonders bevorzugt sind die Seitenplatten und/oder die Deckplatte aus einem unmagnetischen Werkstoff, insbesondere einem unmagnetischen Stahl gebildet.
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Eine bedeutende bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bistabilen Kippsystems sieht vor, dass die umpolbaren Magnete mit wenigstens einem Ende, bevorzugt mit beiden Enden und besonders bevorzugt mit beiden Austrittsflächen in einer Ausnehmung der Polschuhe angeordnet sind, wodurch eine größere Länge und somit ein größeres Volumen der umpolbaren Magnete bei gleichem Durchmesser ermöglicht wird. Weiterhin wird so sichergestellt, dass der magnetische Fluss aus den Austrittsflächen des umpolbaren Magneten besser in die Polschuhe eintritt und nicht bzw. weniger durch die Luft verläuft. Dadurch wird die Magnetstärke erhöht und zugleich die Selbstentmagnetisierung verringert, da der außerhalb des umpolbaren Magneten durch die Luft verlaufende Gegenfluss reduziert wird. Dabei weist jede Ausnehmung bevorzugt die Form der Querschnittsfläche bzw. der Austrittsfläche eines umpolbaren Magneten auf. Besonders bevorzugt sind die umpolbaren Magnete jeweils formschlüssig in einer Ausnehmung angeordnet und/oder darin festgelegt. Ganz besonders bevorzugt ist jedes Ende eines, insbesondere jedes umpolbaren Magneten in einer Ausnehmung angeordnet.
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Obwohl die umpolbaren Magnete aus einem beliebigen halbhartmagnetischen Werkstoff und die Permanentmagnete aus einem beliebigen hartmagnetischen Werkstoff gebildet sein können, ist eine Ausführung der erfindungsgemäßen bistabilen Kippstufe bevorzugt bei der die umpolbaren Magnete aus dem halbhartmagnetischen Material AlNiCo 500 oder einem Titanat und/oder die Permanentmagnete aus dem hartmagnetischen Material Hartferrit, Neodym- Eisen-Bor oder SmCo gebildet sind. Der Werkstoff AlNiCo 500 wird dabei auch mit AlNiCo 35/5 bezeichnet. Bei dem Magneten aus dem hartmagnetischen Werkstoff SmCo handelt es sich um einen Samarium-Cobald-Magneten, während ein Neodym- Eisen-Bor-Magnet bevorzugt aus Nd2Fe14B gebildet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen bistabilen Kippsystems ist der Permanentmagnet aus mehreren, nebeneinander und/oder Pol-an-Pol angeordneten Einzelmagneten gebildet, wodurch eine besonders einfache Herstellung sowie ein besonders kompakter Aufbau ermöglicht wird. Dabei sind alle Einzelmagnete bevorzugt jeweils selbst ein Permanentmagnet und/oder aus dem gleichen Material gebildet. Besonders bevorzugt weisen alle Einzelmagnete wenigstens die gleiche Höhe und/oder die gleiche Breite und ganz besonders bevorzugt auch die gleiche Länge entlang der Reihe von Einzelmagneten auf.
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Ebenfalls bevorzugt sind die Einzelmagnete parallel und/oder sich entlang der gesamten Reihe der halbhartmagnetischen umpolbaren Magnete angeordnet. Erfindungsgemäß sind die Reihe der umpolbaren Magnete und die Permanentmagnete parallel zueinander angeordnet und erstrecken sich bis auf eine Abweichung von höchstens 20 % über die gleiche Länge, insbesondere im Inneren des bistabilen Kippsystems. Insbesondere bevorzugt erstrecken sich die Reihe der umpolbaren Magnete und die Permanentmagnete bzw. der aus einer Reihe von Einzelmagneten gebildete Permanentmagnet bis auf eine Abweichung von bevorzugt höchstens 15 % und besonders bevorzugt höchstens 10 % über die gleiche Länge, insbesondere im Inneren des bistabilen Kippsystems.
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Schließlich weist eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bistabilen Kippsystems eine Steuereinheit zum Erzeugen des Stromimpulses zum Umpolen der Magneteinheit auf, die wenigstens eine, bevorzugt wenigstens zwei und ganz besonders bevorzugt genau zwei B6-Brückenschaltungen zum Betrieb in einem Drehstromnetz aufweist, wobei bevorzugt die beiden B6-Brückenschaltungen für jeweils einen Stromimpuls in entgegengesetzte Richtungen vorgesehen sind. Dabei kann die Steuereinheit zwar grundsätzlich im Inneren des bistabilen Kippsystems angeordnet sein, bevorzugt ist die Steuereinheit jedoch ein separates Bauteil und/oder ein Teil einer separaten Steuereinheit. Die Steuereinheit ist mit dem bistabilen Kippsystem bevorzugt über ein Kabel und eine Steckerverbindung verbindbar. Die B6-Brücken werden bevorzugt als Gleichstromsteller verwendet. Dabei ist besonders bevorzugt eine B6-Brückenschaltung zum Umpolen der umschaltbaren Magnete in eine Polrichtung zum Erreichen des ersten Zustandes und die andere B6-Brückenschaltung zum Umpolen der umschaltbaren Magnete in die umgekehrte Polung zum Erreichen des zweiten Zustandes vorgesehen. Somit wird das bistabile Kippsystem bevorzugt durch den elektronischen Gleichstromsteller mit den zwei B6-Brückenschaltungen im 4 Quadranten-Betrieb betrieben. Der mittels der Steuereinheit erzeugte Stromimpuls muss zunächst lediglich stark und lang genug sein, um die Spule ausreichend stark und lang zu magnetisieren, sodass die umpolbaren Magnete umgepolt werden können. Die Dauer des Stromimpulses beträgt dabei bevorzugt zwischen 0,1 s und 2 s, besonders bevorzugt zwischen 0,2 s und 1,5 s und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,5 s und 1 s.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen bistabilen Kippsystems wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
- 1 eine seitliche Schnittansicht eines bistabilen Hubmagneten,
- 2 eine gegenüber der 1 um 90° gedrehte Schnittansicht des bistabilen Hubmagneten, und
- 3 eine Ansicht der Oberseite des in den 1 und 2 dargestellten bistabilen Hubmagneten.
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Bei einem in 1 dargestellten bistabilen Hubmagneten 1 sind unmittelbar an einer Deckplatte 8 aus AlNiCo 500 mehrere Permanentmagnete 11 aus dem hartmagnetischen Werkstoff Hartferrit in einer Reihe angeordnet. Alle Permanentmagnete 11 bilden einen einzigen großen Gesamtpermanentmagneten 2, indem die einzelnen Permanentmagnete 11 Pol-an-Pol angeordnet sind und darüber hinaus gleich große Austrittsflächen aufweisen. Dabei ist der Gesamtpermanentmagnet 2 aus sieben aneinander angeordneten Permanentmagneten 11 gebildet, wobei der Gesamtpermanentmagnet 2 insgesamt eine Höhe von 20 mm, eine Breite von 50 mm und eine Länge von 486 mm aufweist.
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Parallel zu dem aus den einzelnen Permanentmagneten 11 gebildeten Gesamtpermanentmagneten 2 ist im Inneren des bistabilen Hubmagneten 1 eine Magneteinheit 3 angeordnet, die sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des bistabilen Hubmagneten 1 und des Gesamtpermanentmagneten 2 erstreckt. Die Magneteinheit 3 ist aus zwei übereinander angeordneten und parallel zueinander angeschlossenen Spulen 5 gebildet, die eine Reihe von umpolbaren Magneten 4 aus dem halbhartmagnetischen Werkstoff AlNiCo 500 umgeben.
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Die einzelnen umpolbaren Magnete 4 sind dabei entlang der Reihe in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Jeder der halbhartmagnetischen umpolbaren Magnete 4 weist eine zylindrische Form auf mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Höhe von 35 mm, sodass die Länge 1 der umpolbaren Magnete 4 länger ist als deren Durchmesser, wodurch eine geringe Selbstentmagnetisierung erreicht wird. Alle umpolbaren Magnete 4 sind weiterhin identisch zueinander gebildet. Dabei sind die umpolbaren Magnete 4 zu beiden Seiten an jeweils einem, eine Front- bzw. Rückwand des bistabilen Hubmagneten 1 bildenden Polschuh 7 festgelegt. Die Polschuhe 7 sind dabei aus einem ferritischen Stahl St 37 gebildet.
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Um eine optimale Einleitung des Magnetfeldes aus den umpolbaren Magneten 4 in den Polschuh 7 zu ermöglichen, weist der Polschuh 7 für jeden umpolbaren Magneten 4 eine Ausnehmung 10 auf, innerhalb der der umpolbare Magnet 7 mit einer Austrittsfläche 6, die einem der Pole entspricht, formschlüssig in der Ausnehmung 10 festgelegt ist. Die Ausnehmung 10 weist dabei eine Tiefe von 5 mm auf.
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Jede der beiden Spulen 5 weist dabei 950 Windungen auf und ist aus einem isolierten Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,5 mm gebildet. Die beiden Spulen 5 nehmen dabei im Wesentlichen den nicht durch Magnete 2,4 gefüllten Innenraum des bistabilen Hubmagneten 1 ein. Zum Betreiben der Magneteinheit 3 und insbesondere der Spule 5 ist an der Deckplatte 8 ein Steckeranschluss 12 angeordnet.
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Insgesamt weist der bistabile Hubmagnet 1 eine geschlossene Bauform auf, wobei die nicht durch die Deckplatte 8 geschlossenen Seiten zwischen den Polschuhen 7 durch Seitenplatten 9 aus Stahl 1.4301 geschlossen sind. Die Deckplatte 8 ist an den Polschuhen 7 mittels Schrauben 13 festgelegt, während die Seitenplatten 9 verklebt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bistabiles Kippsystem
- 2
- Permanentmagnet
- 3
- Magneteinheit
- 4
- umpolbarer Magnet
- 5
- Spule
- 6
- Austrittsfläche
- 7
- Polschuhe
- 8
- Deckplatte
- 9
- Seitenplatte
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Einzelmagnete
- 12
- Steckeranschluss
- 13
- Schraube
- l
- Länge des umpolbaren Magneten
