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Die vorliegende Erfindung betrifft einen monostabilen Betätigungsmagnet, insbesondere einen Hub- oder Zugmagnet.
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Einfache („normale“) Elektromagnete bestehen aus mindestens einer Spule, meist ergänzt um geometrische Komponenten, welche die erzeugten Magnetfelder leiten und/oder verstärken. Elektromagnete erzeugen Magnetkräfte beziehungsweise Magnetfelder auf Basis der durch ihre jeweilige zumindest eine Spule fließenden elektrischen Ströme.
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Elektromagnete finden in verschiedensten Applikationen Anwendung, insbesondere auch als Hub- oder Zugmagnet, wobei ein meist als „Anker“ oder „Tauchkern“ bezeichnetes bewegliches Element aus einem magnetisierbaren, in der Regel ferromagnetischem, Material als Teil des Elektromagneten vorgesehen ist, welches sich durch Beschickung der Spule des Elektromagneten mit einem geeigneten Strom mit einer magnetischen Kraft beaufschlagen und dadurch gezielt betätigen, insbesondere bewegen, lässt. Die Bewegung ist meist als Linearbewegung entlang einer festgelegten Bewegungsrichtung festgelegt. Der Anker kann somit aufgrund dieser Krafteinwirkung selbst auf ein anderes Objekt eine Hub- oder Zugkraft entlang der Bewegungsrichtung ausüben. Dies kann beispielsweise dafür verwendet werden, einen mit dem Anker gekoppelten elektrischen Schalter zu öffnen oder zu schließen, wie etwa einen Schalter eines Relais.
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Neben der vorgenannten Grundform eines sogenannten Betätigungsmagneten sind insbesondere auch monostabile Bauformen bekannt. Bei diesen ist zusätzlich zu dem Elektromagnet eine zumindest einen Permanentmagnet aufweisende Permanentmagnetanordnung vorgesehen, um den Anker in einer vorbestimmten Halte- bzw. Arretierposition an einem Endpunkt einer meist geradlinigen („linearen“) zwischen zwei Endpunkten verlaufenden Ankerbewegungsstrecke zu arretieren, d. h. zu halten, oder ihn auch zunächst dahin zu überführen, wenn die Spule des Elektromagneten stromlos ist. Der Permanentmagnet erreicht die gewünschte Arretierung, indem er den Anker magnetisiert, der dann in der entsprechenden Endposition haftet. Zugleich wird hier auch der Magnetkern durch den Permanentmagnet magnetisiert.
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Bei bekannten Bauarten ist ein Permanentmagnet an oder in der Nähe eines ersten der Endpunkte der Ankerbewegungsstrecke vorgesehen, der einem ausgefahrenen Zustand des Ankers entspricht. Am anderen, zweiten Endpunkt der Bewegungsstrecke, der einem eingefahrenen bzw. eingezogenen Zustand des Ankers entspricht, ist dagegen in der Regel ein Magnetkern zur Verstärkung und Bündelung des von der Spulenanordnung ausgehenden Magnetfelds angebracht.
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Der Permanentmagnet ist dabei relativ zu der Spulenanordnung so positioniert und magnetisiert, dass sich die permanentmagnetisch erzeugten und die elektromagnetisch erzeugten Magnetfelder je nach Polung des durch die Spule(n) geschickten Stroms verstärkend bzw. abschwächend überlagern. Somit ergibt sich insgesamt eine von der Strompolarität abhängige Wirkweise des Betätigungsmagneten.
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Meist ist zudem eine der Magnetkraft des Permanentmagneten entgegenwirkende Feder vorgesehen, die dazu dient, den Anker von der an einem Endpunkt gelegenen Arretierposition an den gegenüberliegenden Endpunkt der Bewegungsstrecke zu befördern, wenn durch entsprechende Bestromung der Spulenanordnung die Magnetkraft der Permanentmagnetanordnung kompensiert und somit zumindest neutralisiert wird. Ein Vorteil einer solchen monostabilen Magnetanordnung besteht darin, dass zum Bewegen des Ankers aus dem „eingezogenen“ beziehungsweise „ausgefahrenen“ Endpunkt, zum jeweils anderen Endpunkt, eine kurze Bestromung der Spulenanordnung genügt, während keine Bestromung erforderlich ist, um den Anker in den jeweiligen Endpunkten zu arretieren.
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Wenn der Elektromagnet und der Permanentmagnet an einem gemeinsamen Rahmen befestigt sind, werden solche Betätigungsmagnete auch oft als monostabile Rahmenmagnete bezeichnen. Auch die Bezeichnungen als monostabile „Hub- oder Zugmagnete“ oder „monostabile Linearmagnete“ sind geläufig. Ebenso wird die Verwendung des Begriffs „monodirektional“ anstelle „monostabil“ gelegentlich verwendet. Beispielhafte Bauformen und die Funktion solcher bekannten monostabilen Betätigungsmagneten werden im Weiteren unter Bezugnahme auf 1 erläutert werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiter verbesserten monostabilen Betätigungsmagnet zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre von Anspruch 1 erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen monostabilen Betätigungsmagnet, der insbesondere ein monostabiler Hub- und/oder Zugmagnet sein kann. Der Betätigungsmagnet weist auf: (i) einen Elektromagnet mit einem Magnetkern; (ii) eine zumindest einen Permanentmagnet aufweisende Permanentmagnetanordnung; und (iii) einen magnetisierbaren Anker, insbesondere ganz oder teilweise aus ferromagnetischem Material bestehend, der zwischen, jeweils bezüglich des Magnetkerns, einem magnetkernnahen und einem magnetkernfernen Endpunkt einer Ankerbewegungsstrecke beweglich ist. Dabei ist die Permanentmagnetanordnung so konfiguriert ist, dass: (1) die Permanentmagnetanordnung und der Magnetkern relativ zum Anker hintereinander auf derselben Seite des Betätigungsmagneten angeordnet sind; (2) sich die durch die Permanentmagnetanordnung einerseits und durch den Elektromagnet andererseits erzeugten Magnetkräfte auf den Anker je nach Polung eines durch die Spule geschickten Stroms verstärkend bzw. abschwächend überlagern; und (3) die Permanentmagnetanordnung den Anker am magnetkernnahen Endpunkt arretiert, wenn sich der Anker im stromlosen Zustand des Elektromagneten an diesem Endpunkt befindet.
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Ein solcher Aufbau eines monostabilen Betätigungsmagneten kann in mehrerlei Hinsicht vorteilhaft sein. Zunächst erlaubt dies einen besonders einfachen Aufbau, insbesondere gegenüber einigen bekannten Bauformen die Vermeidung einer aufwändigen und meist mit einer mechanischen Schwächung des Ankers einhergehende Integration eines Permanentmagneten in den Anker. Des Weiteren wird die magnetische Effizienz der Permanentmagnetanordnung optimiert, was insbesondere darauf beruht, dass sich bei dieser Anordnung die Magnetfelder der Permanentmagnetanordnung und des Magnetkerns optimal überlagern und Streuverluste sowie der magnetische Widerstand klein gehalten werden können. Außerdem entfällt der Bedarf für eine mechanische Beschränkung des Ankerhubs auf einen, beispielsweise mittels eines mechanischen Anschlags, bestimmten Hubweg. Auch kann die Magnetisierung der Permanentmagnetanordnung vorzugsweise in axialer Richtung erfolgen, sodass nur eine sehr einfache Magnetisierungsanordnung benötigt wird, um den Permanentmagnet herzustellen. Zudem ist diese Magnetanordnung auf vielerlei Bauarten, insbesondere auf Blechbügelmagnete und Rohrmagnete anwendbar.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des monostabilen Betätigungsmagneten beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird oder technisch unmöglich ist, beliebig miteinander kombiniert werden können.
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Bei einigen Ausführungsformen weist der Betätigungsmagnet des Weiteren einen den Elektromagnet und die Permanentmagnetanordnung jeweils zumindest teilweise umgebenden Korpus aus einem den magnetischen Fluss des Elektromagneten leitenden Material auf. Dabei ist die Permanentmagnetanordnung zwischen dem Korpus und dem Magnetkern angeordnet ist. Der Korpus kann insbesondere als Rahmen oder, insbesondere rohrförmiges, z.B. zylinderförmiges, Gehäuse ausgebildet sein. Die Verwendung eines solchen Körpers hat den Vorteil, dass damit der von dem Elektromagneten ausgehende magnetische Fluss gebündelt und gezielt geleitet werden kann, wodurch die magnetische Effizienz des Betätigungsmagneten erhöht und zugleich ein zumindest partieller Schutz des Betätigungsmagneten vor externen Einflüssen erreicht werden kann. Zudem lässt sich so die mechanische Stabilität und Robustheit des Betätigungsmagneten erhöhen.
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Bei diesen Ausführungsformen berührt der Magnetkern den Korpus vorzugweise nicht unmittelbar. So können unerwünschte magnetische Kurzschlüsse vermieden werden, welche andernfalls die Funktion des Betätigungsmagneten beeinträchtigen könnten.
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Zudem kann bei einigen dieser Ausführungsformen der Magnetkern einen Abschnitt aufweisen, der sich in zumindest anteilig in bezüglich der Ankerbewegungsstrecke radialer Richtung auf den Korpus zu erstreckt. Dieser Abschnitt kann sich insbesondere außerhalb des Elektromagneten bzw. seiner Spule(n) erstrecken. Das vorsehen eines solchen radialen Abschnitts kann vorteilhaft dazu genutzt werden, die Größe des Zwischenraums zwischen dem Magnetkern und dem Korpus und somit die Stärke eines zwischen beiden auftretenden magnetischen Nebenflusses einzustellen, womit sich auf einfache Weise die resultierende Haftkraft des Ankers am magnetkernnahen Endpunkt seiner Ankerbewegungssperre im stromlosen Zustand des Elektromagneten definieren lässt.
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Der Durchmesser dieses Abschnitts in der radialen Richtung entspricht dabei vorzugsweise zumindest dem Durchmesser der Permanentmagnetanordnung in dieser Richtung und ist zugleich geringer ist als der Innendurchmesser des Korpus an dieser Stelle, so dass der Abschnitt den Korpus nicht berührt.
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Bei einigen dieser Ausführungsformen trifft zumindest eine der folgenden Beziehungen zu:
- (i) In der radialen Richtung ist der Außendurchmesser der Permanentmagnetanordnung größer oder gleich dem Außendurchmesser des Ankers an dessen magnetkernnahen Ende und zugleich kleiner oder gleich dem 0,9-Fachen des Innendurchmessers des der Permanentmagnetanordnung nächstliegenden Abschnitts des Korpus; (ii) Die Dicke des Abschnitts entlang der durch die Ankerbewegungsstrecke definierten axialen Richtung liegt im (geschlossenen) Intervall zwischen dem 0,1-Fachen und dem 2-Fachen der Dicke der Permanentmagnetanordnung entlang der axialen Richtung. Es hat sich gezeigt, dass bei Einhaltung einer oder bevorzugt beider vorgenannten Beziehungen, einerseits der Entmagnetisierung des Permanentmagneten besonders effektiv entgegengewirkt und andererseits eine im Rahmen der Auslegung des Betätigungsmagneten erfolgende optimale Einstellung der magnetischen Kopplung zwischen Magnetkern und Korpus zur Festlegung insbesondere der Haltekraft der Arretierung des Ankers im magnetkernnahen Endpunkt erreicht werden können.
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Idealerweise beträgt der Durchmesser der Permanentmagnetanordnung höchstens das 0,9-fache des Innendurchmessers des Korpus an dieser Stelle, so dass auch beim Auftreten von mechanischen Störeinflüssen, etwa Erschütterungen, oder bei Fertigungsungenauigkeiten mit hoher Sicherheit genug Zwischenraum zwischen dem Korpus und dem Magnetkern verbleibt, um magnetische Kurzschlüsse zwischen beiden zu vermeiden.
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Bei einigen Ausführungsformen ist die Permanentmagnetanordnung von dem Magnetkern mechanisch entkoppelt. Auf diese Weise kann eine möglicherweise schädliche mechanische Einwirkung des Ankers auf die Permanentmagnetanordnung beim Einfahren des Ankers zum magnetkernnahen Endpunkt der Ankerbewegungsstrecke vermieden werden.
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Bei einigen dieser Ausführungsformen ist die Permanentmagnetanordnung von dem Magnetkern mittels eines oder mehrerer Zwischenelemente mechanisch entkoppelt. Das bzw. die Zwischenelemente sind konfiguriert, etwaige von dem Anker auf den Magnetkern ausgeübte mechanische Kräfte abzupuffern oder an der Permanentmagnetanordnung herum auf ein oder mehrere andere Bauteile des Betätigungsmagneten abzuleiten. Ein solches Zwischenelement kann insbesondere als eine die Permanentmagnetanordnung zumindest teilweise umgebende Distanzscheibe zur Ableitung von mechanischen Kräften, insbesondere Stößen, auf den Magnetkern an der Permanentmagnetanordnung vorbei ausgebildet sein.
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Das Bauteil bzw. die anderen Bauteile, auf die die mechanischen Kräfte abgeleitet werden, kann bzw. können gemäß einigen dieser Ausführungsformen insbesondere ein Joch, beispielsweise eine Jochscheibe, des Betätigungsmagneten bilden. Des Weiteren ist bevorzugt zumindest eines der Zwischenelemente aus einem unmagnetischen, d.h. nichtferromagnetischen, Material ausgebildet, um unerwünschte magnetische Kurz- oder Nebenschlüsse, welche die Effizienz des Betätigungsmagneten beeinträchtigen könnten, zu vermeiden.
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Bei einigen Ausführungsformen weist die Permanentmagnetanordnung einen entlang seiner axialen Richtung magnetisierten Ringmagnet auf, wobei diese axiale Richtung mit der Richtung der Ankerbewegungsstrecke zusammenfällt. Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache und aufgrund minimaler magnetischer Streuverluste besonders effiziente Implementierung des Betätigungsmagneten erreichen.
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Bei einigen Ausführungsformen ist der Betätigungsmagnet für den Betrieb innerhalb eines durch zumindest eine, insbesondere maximale, Grenztemperatur und eine maximale elektrische Erregung (Amperewindungen, AW) des Elektromagneten definierten Betriebsbereich spezifiziert. Die Permanentmagnetanordnung ist zudem so konfiguriert, insbesondere über die Dicke des Permanentmagneten, dass beim Betrieb des Betätigungsmagneten unter diesen Grenzbedingungen entlang der gesamten Ankerbewegungsstrecke der Betriebspunkt des Betätigungsmagneten unterhalb einer Belastungsgrenze bleibt, oberhalb der eine irreversible Entmagnetisierung die Permanentmagnetanordnung durch das magnetische Feld des Elektromagneten auftritt. Da die Entmagnetisierungskennlinie im B/H-Diagramm eines Permanentmagneten von dessen relevanter Dicke abhängt, lässt sich so bei ausreichender Dicke einer Entmagnetisierung der Permanentmagnetanordnung, insbesondere durch das Magnetfeld des Elektromagneten, effektiv entgegen wirken.
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Bei einigen Ausführungsformen weist der Betätigungsmagnet des Weiteren eine Federanordnung auf, die so konfiguriert ist, dass sie mittelbar oder unmittelbar eine der Magnetkraft der Permanentmagnetanordnung entgegenwirkende Kraft zumindest dann auf den Anker ausübt, wenn sich dieser am magnetkernnahen Endpunkt der Ankerbewegungsstrecke befindet. So lässt sich erreichen, dass der Anker im stromlosen Zustand des Elektromagneten zwei Arretierpunkte aufweist, an denen er ohne Einwirkung des Elektromagneten haftet. Am magnetkernnahen Endpunkt beruht die Arretierung auf der von der Permanentmagnetanordnung ausgehenden Magnetkraft auf den Anker. Am magnetkernfernen Endpunkt beruht die Arretierung dagegen auf der von der Federanordnung ausgehenden Federkraft, die so ausgelegt ist, dass sie an diesem Ort die entgegenwirkende von der Permanentmagnetanordnung ausgehenden Magnetkraft auf den Anker übertrifft, so dass am magnetkernfernen Endpunkt eine den Anker dort arretierende Haltekraft resultiert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.
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Dabei zeigt:
- 1 schematisch, jeweils in einer Querschnittsansicht, drei verschiedene Varianten eines monostabilen Betätigungsmagneten aus dem Stand der Technik;
- 2 schematisch eine Querschnittsansicht einer ersten, besonders einfachen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen monostabilen Betätigungsmagneten; und
- 3 schematisch eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen monostabilen Betätigungsmagneten.
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In 1 (A) ist eine bekannte Bauform 100 eines monostabilen Betätigungsmagneten dargestellt. In einem als Rahmen oder Gehäuse, beispielsweise als zylinderförmigen Gehäuse, ausgebildeten Korpus 105 sind ein mittels einer Spule ausgebildeter Elektromagnet 110 mit einem an einem Ende davon zumindest abschnittsweise in dem durch die Spule definierten Spuleninnenraum vorgesehenen Magnetkern 115 sowie ein am anderen Ende der Spule vorgesehener ringförmiger Permanentmagnet 120 angeordnet. Des Weiteren ist ein als einstückiger Tauchkern aus ferromagnetischem Material, z.B. Eisen, ausgeführter Anker 125 in dem Spuleninnenraum vorgesehen und dabei entlang einer Ankerbewegungsstrecke beweglich gelagert. Die koaxial zur Spule verlaufende Ankerbewegungstrecke ist auf Seiten des Magnetkerns 115 durch diesen geometrisch begrenzt. Mittels einer Feder 130 ist der Anker in der von dem Magnetkern wegzeigenden Richtung vorgespannt.
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Der Permanentmagnet 120 kann insbesondere - wie dargestellt - als radial magnetisierter einstückiger oder aus mehreren Ringbestandteilen, z.B. aus zwei Ringhälften, zusammengesetzter Ringmagnet ausgeführt sein, durch dessen Ringöffnung hindurch der Anker 125 bewegt werden kann. Alternativ kann der Permanentmagnet 120 auch als Permanentmagnetanordnung aus zwei oder mehr einzelnen, um den Anker 125 herum angeordneten Permanentmagneten ausgebildet sein. Das von dem Permanentmagnet 120 ausgehende Magnetfeld wird durch den Korpus 105 zum Magnetkern 115 geleitet, sodass im stromlosen Zustand des Elektromagneten 110 der Magnetkern 115 als Südpol gegenüber dem als Nordpol wirkenden Anker 125 wirkt. So wird der Anker 125 zum Magnetkern hin angezogen und somit in der magnetkernnahen Entstehung arretiert. Wird dagegen der Elektromagnet 110 so bestromt, dass sich sein Magnetfeld abschwächend mit dem des Permanentmagneten 120 überlagert und dabei dessen Magnetfeld kompensiert, so wird der Anker 125 durch die Federkraft der Feder 130 entlang der zwischen den beiden Endpunkten verlaufenden linearen Ankerbewegungsstrecke zum magnetkernfernen Endpunkt bewegt und dort durch die Federkraft arretiert. Wenn nachfolgend wiederum der Elektromagnet 110 in Gegenrichtung bestromt wird, überlagert sich sein Magnetfeld verstärkend mit dem des Permanentmagneten 120, sodass die insgesamt resultierende Magnetkraft größer wird als die entgegenwirkende Federkraft der Feder 130 und folglich der Anker 125 entlang der Ankerbewegungstrecke zurück zum magnetkernnahen Endpunkt gezogen wird.
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In 1 (B) ist eine weiter bekannte Bauform 200 eines monostabilen Betätigungsmagneten dargestellt. Der Aufbau dieser Bauform 200 stimmt in weiten Teilen mit derjenigen der Bauform 100 aus 1 (A) überein, wobei wie dort ein Korpus 205, ein mittels einer Spule ausgebildeter Elektromagnet 210 und ein Magnetkern 215 vorgesehen sind. Auch eine Feder kann wieder vorgesehen sein, die jedoch hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Der Aufbau der Bauform 200 unterscheidet sich jedoch von demjenigen der Bauform 100 dadurch, dass hier ein Anker vorgesehen ist, der aus zwei getrennten Abschnitten 225a und 225b aufgebaut ist, zwischen denen ein Permanentmagnet 220 mit axialer Magnetisierung angeordnet ist und somit dem Anker insgesamt eine axial verlaufende Magnetisierung verleiht. Bei der Bauform 200 ist konstruktiv kein mechanischer Anschlag für die beiden Endpunkte der Ankerbewegungsstrecke erforderlich, da die Ankerbewegung in den beiden Endpunkten jeweils durch einen dort auftretenden magnetischen Kurzschluss zum Halten gebracht wird, wenn der entsprechende Ankerabschnitt 225a beziehungsweise 225b dem magnetkernfernen Gehäuseteil 205a gegenüber liegt.
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In 1 (C) ist eine noch weitere bekannte Bauform 300 eines monostabilen Betätigungsmagneten mit einem Korpus 305, einem Elektromagneten 310, und einem Magnetkern 315 dargestellt. Der Aufbau dieser Bauform 300 entspricht weitgehend demjenigen der Bauform 200, jedoch mit dem Unterschied, dass die Ankerbewegungsstrecke auch auf der magnetkernfernen Seite konstruktiv, nämlich durch einen entsprechend ausgebildeten, als mechanischer Anschlag für den Ankerabschnitt 325b wirkenden Teil des Korpus 305, begrenzt ist. Zudem ist hier noch ein Druck-/Zug-Stab 330 vorgesehen, der jedoch gleichermaßen auch bei den beiden anderen Bauformen 100 bzw. 200 vorhanden sein kann. Ebenso kann wieder eine Feder (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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Allen drei Bauformen 100, 200 und 300 ist insbesondere gemein, dass der Permanentmagnet bezüglich des Ankers 125, 225a, b bzw. 325a,b oder zumindest eines Abschnitts davon auf der magnetkernfernen Seite der jeweiligen Bauform angeordnet ist. Bei den Bauformen 203 100 ergibt sich insbesondere aufgrund des mehrteiligen Ankers ein erhöhter Fertigungsaufwand, der sich zudem noch weiter erhöht, wenn optional ein Lagerrohr im Spuleninnenraum zur Förderung einer möglichst reibungsfreien Beweglichkeit des Ankers vorgesehen wird.
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In 2 ist eine erste, besonders einfache, Ausführungsform eines erfindungsgemäßen monostabilen Betätigungsmagneten 400 in einer schematischen Querschnittansicht dargestellt. Der Betätigungsmagnets 400 weist einen als Rahmen oder rohrförmiges, insbesondere zylindrisches, Gehäuse ausgebildeten Korpus 405 aus einem magnetisch leitenden Material, etwa auf Eisenbasis, auf. In dem Korpus 405 befinden sich ein mittels zumindest einer Spule ausgebildeter Elektromagnet 410 mit einem Magnetkern 415, sowie eine Permanentmagnetanordnung, welche einen Permanentmagneten 420 aufweist. Der Permanentmagnet 420 ist dabei in der Nähe des einen Endes des Elektromagneten 410 zwischen dem an diesem Ende vorgesehenen Magnetkern 415 und dem Korpus 405 angeordnet und axial magnetisiert, sodass seine Magnetisierungsrichtung im Wesentlichen mit der Symmetrieachse der Spule des Elektromagneten 410 und vorzugsweise auch des Magnetkerns 415 zusammenfällt.
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Zusätzlich ist in dem Betätigungsmagnet 40 auch ein als Tauchkern ausgebildeter, einstückiger Anker 425 vorgesehen, der zumindest teilweise einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, Nickel oder Kobalt besteht, Der Anker 425 ist entlang einer, in 2 horizontal verlaufenden, Symmetrieachse des Elektromagneten 410 verlaufenden Ankerbewegungsstrecke beweglich gelagert. Ein Endpunkt der Ankerbewegungsstrecke ist geometrisch durch die dem Anker 425 zugewandte Seite des Magnetkerns 415 definiert, die als mechanischer Anschlag für die Bewegung des Ankers 425 an diesem (magnetkernnahen) Endpunkt wirkt. Der gegenüberliegende (magnetkernferne) Endpunkt ist in der dargestellten Ausführungsform nicht geometrisch, etwa durch einen mechanischen Anschlag, begrenzt, wenngleich dies möglich ist. Stattdessen oder zusätzlich ist eine Definition des Endpunkts auf Basis der Wirkung der herrschenden Magnetfelder im bestromten Zustand denkbar.
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Idealerweise ist der Permanentmagnet 420 in unmittelbarer Nähe der ankerabgewandten Seite des Magnetkerns 415 angeordnet, sodass eine möglichst starke Kopplung des von der Permanentmagnetanordnung 420 ausgehenden Magnetfelds auf den Magnetkern 415 und von dort auf den Anker 425 ermöglicht ist. Es ist jedoch zweckmäßig, eine unmittelbare Berührung zwischen dem Permanentmagnet 420 und dem Anker 415 zu vermeiden, sodass insbesondere vom Anker 425 ausgehende Stöße oder andere Erschütterungen oder Schwingungen auf den Magnetkern 415 nicht mechanisch auf den Permanentmagnet 420 übertragen werden. Auch die Verwendung eines Puffermaterials zum Abfangen bzw. Abpuffern mechanischer Wechselwirkungen zwischen dem Permanentmagnet 420 und die Magnetkern 415 ist denkbar. Zudem kann wie bei 1 (A) eine Feder (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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Die durch die Permanentmagnetanordnung 420 einerseits und durch den Elektromagnet 410 andererseits erzeugten Magnetkräfte auf den Anker 425 überlagern sich somit je nach Polung eines durch die Spule des Elektromagneten 410 geschickten Stroms verstärkend bzw. abschwächend. Die von dem Permanentmagneten 420 ausgehende Magnetkraft bewirkt im stromlosen Zustand des Elektromagneten 410 eine Magnetisierung des Ankers 425 im Wesentlichen entlang der axialen Richtung, sodass der Anker 425 an dem magnetkernnahen Endpunkt durch die Magnetkraft fixiert, d. h. arretiert wird. Wird der Elektromagnet 410 dagegen entsprechend bestromt, so entspricht die Funktionsweise der bereits im Zusammenhang mit 1 (A) beschriebenen. Der Betätigungsmagnet 400 ist somit ein monostabiler Betätigungsmagnet.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen monostabilen Betätigungsmagneten 500 in einer schematischen Querschnittsansicht illustriert. Der Betätigungsmagnet 500 weist einen Korpus 505 aus einem magnetisch leitenden Material, etwa auf Eisenbasis, auf. Der Korpus kann, wie dargestellt, insbesondere als offener Rahmen oder als beispielsweise rohrförmiges, insbesondere im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse ausgebildet sein. In dem Korpus 505 ist ein Elektromagnet 510 angeordnet, der zumindest eine Spule aufweist. Es können auch mehrere Spulen vorgesehen sein, insbesondere koaxial und/oder seriell angeordnete Spulen.
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Der Elektromagnet 510 umgibt einen tunnelartigen Hohlraum in dem durch die Spule(n) umspannten Raumbereich. In dem Hohlraum ist ein magnetisierbarer, insbesondere aus ferromagnetischem Material gefertigter, Anker 525 angeordnet, der entlang einer durch den Verlauf des Hohlraums definierten Ankerbewegungsstrecke (in 3 in horizontaler, axialer Richtung A gelegen) beweglich gelagert ist. Dem Elektromagnet 510 ist zudem ein Magnetkern 515 zugeordnet, der an einem Ende des Elektromagnet 510 angeordnet ist, und der zumindest teilweise in den tunnelartigen Hohlraum eintaucht. Die dargestellte optionale Konusanordnung 550, bei der der Anker 525, wenn er sich am magnetkernnahen Endpunkt der Ankerbewegungsstrecke befindet, und der Magnetkern 515 ineinandergreifen, erlaubt besonders lange Hubwege, d.h. große Abstände zwischen den beiden Endpunkten der Ankerbewegu ngsstrecke.
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Der Magnetkern 515 stellt zugleich einen mechanischen Anschlag für die Bewegung des Ankers 525 dar, sodass seine Oberfläche den magnetkernnahen Endpunkt der Ankerbewegungsstrecke definiert. Ein Druck-/Zug-Stab 530 kann zudem als Teil des Ankers 525 oder als damit verbundenes separates Element vorgesehen sein. Der Druck-/Zug-Stab 530 kann dabei insbesondere durch eine tunnelartige Aussparung in dem Magnetkern 515 durch das dem Anker 525 gegenüberliegende Ende des Betätigungsmagneten 500 geführt sein, sodass die mechanische Wirkung des Ankers 525 beziehungsweise seiner Bewegung auf diese Seite des Betätigungsmagneten 500 übertragen werden kann.
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Des Weiteren ist in dem Betätigungsmagnet 500 eine Permanentmagnetanordnung 520 mit einem Außendurchmesser a und einer Dicke b vorgesehen, die aus einem oder mehreren Permanentmagneten aufgebaut sein kann. Insbesondere kann die Permanentmagnetanordnung 520 einen axial magnetisierten Ringmagneten oder eine Mehrzahl von solchen einzelnen Permanentmagneten aufweisen. Die Permanentmagnetanordnung 520 ist auf der dem Anker 525 gegenüberliegenden Seite des Magnetkerns 515 in dessen Nachbarschaft angeordnet, um eine möglichst gute magnetische Kopplung zwischen der Permanentmagnetanordnung 520 und dem Magnetkern 515 zu erreichen.
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Es kann auch wieder eine Feder (545) zur Bewirkung einer Arretierung des Ankers 525 am magnetkernfernen Endpunkt der Ankerbewegungsstrecke vorgesehen sein.
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Der Magnetkern 515 weist einen außerhalb der Spule(n) des Elektromagneten 510 gelegenen flanschförmigen Magnetkernabschnitt (im Falle einer Rotationssymmetrie „Ringabsatz“) 515a auf, der sich bezogen auf die Spulenachse des Elektromagneten 510 in radialer Richtung R erstreckt und dabei einen Außendurchmesser c und eine Dicke d aufweist. Um jedoch unerwünschten magnetischen Nebenflüsse zu vermeiden oder jedenfalls zu begrenzen, reicht dieser flanschartige Abschnitt 515a nicht bis an die Innenwand des Korpus 505 an dieser Stelle heran, d. h. sein Außendurchmesser c ist kleiner als der Innendurchmesser e des Korpus 505 an dieser Stelle, sodass allseitig ein magnetisch nicht- bzw. nur schlecht leitender Zwischenraum verbleibt.
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Beim Entwurf des Betätigungsmagneten 500 kann über eine entsprechende Dimensionierung der Geometrie dieses flanschförmigen Abschnitts 515a und insbesondere der Länge und Lage des Zwischenraums anwendungsspezifisch festgelegt werden, wie stark gegebenenfalls ein magnetischer Nebenschluss ausfällt und wie sehr als Folge davon die magnetische Kopplung der Magnetfelder des Elektromagneten 510 sowie des Permanentmagneten 520 auf den Magnetkern eingestellt wird.
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So lässt sich insbesondere auch die Stärke der durch die Magnetkraft des Permanentmagneten 520 bedingten Arretierung des Ankers 525 im magnetkernnahen Endpunkt festlegen. Insbesondere kann die Stärke dieser Magnetkraft durch Vergrößern der beiden Werte c und d reduziert werden, da dadurch der magnetische Permanentmagnetnebenschluss größer, d.h. der Arbeitspunkt des Permanentmagneten im B/H-Diagramm stabiler (d.h. seine Arbeitskennlinie steiler) wird. Gleichzeitig wird aber der magnetische Widerstand für das Spulenmagnetfeld des Elektromagneten 510 geringer. Als Folge davon wird das die Magnetkraft auf den Anker 525 erzeugende Magnetfeld (zwischen Anker 525 und Kern) 515 abgeschwächt. Für eine sichere Funktion des Betätigungsmagneten, d.h. ein verlässliches Umschalten der Ankerstellung zwischen den beiden Endpunkten der Ankerbewegungsstrecke, sind dabei bestimmte Minimalbedingungen für den Spulenstrom zu beachten. Dabei gilt zumindest näherungsweise, dass die minimale Amperewindungszahl AW zur minimalen Spulenspannung bei maximaler Spulentemperatur korrespondiert.
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Durch die mit dem o.g. Aufbau des Betätigungsmagneten 500 erreichbare vorgenannte Stabilisierung des Arbeitspunkts der Permanentmagnetanordnung kann somit eine Reduzierung der zur Kompensation des krafterzeugenden Magnetfeldes (zwischen Anker und Kern) benötigten Amperewindungszahl AW des Elektromagneten 510 erreicht werden, die erforderlich ist, um den Anker 525 mittels der Kraft der Feder 545 zum magnetkernfernen Endpunkt zu bewegen.Um trotz der räumlichen Nähe des Magnetkerns 515 und der Permanentmagnetanordnung 520 zueinander unerwünschte mechanische Einwirkungen, insbesondere solche die andernfalls durch einen Kraftübertrag des Ankers 525 bei seiner Bewegung zur magnetkernnahen Endposition auf den Magnetkern 515 auftreten könnten, zu vermeiden, ist die Permanentmagnetanordnung 520 mechanisch von dem Magnetkern 515 entkoppelt. Zu diesem Zweck ist zumindest ein Distanzelement 535 vorgesehen, das insbesondere als Distanzscheibe ausgebildet sein kann und das so geformt und angeordnet ist, dass es auf den Magnetkern entlang der Bewegungsrichtung A des Ankers 525 wirkende Kräfte aufnimmt und an der Permanentmagnetanordnung 520 vorbei ableitet. Das Ableiten dieser Kräfte kann insbesondere auf ein weiteres Bauteil 540 des Betätigungsmagneten 500 erfolgen, welches insbesondere zugleich als Jochscheibe dienen kann. Das Distanzelement 535 ist aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigt, welches eine geringere magnetische Leitfähigkeit aufweist als das Material des Korpus 505. Folglich kann das Distanzelement 535 auch insbesondere, wie dargestellt, im vorgenannten Zwischenraum zwischen dem flanschförmigen Abschnitt 515a des Magnetkerns 515 und dem Korpus 505 angeordnet sein, ohne dadurch einen unerwünschten magnetischen Nebenfluss, insbesondere Kurzschluss zu bewirken.
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Die durch die Permanentmagnetanordnung 520 einerseits und durch den Elektromagnet 510 andererseits erzeugten Magnetkräfte auf den Anker 525 überlagern sich somit je nach Polung eines durch die Spule des Elektromagneten 510 geschickten Stroms verstärkend bzw. abschwächend. Das von dem Permanentmagneten 520 ausgehende Magnetfeld bewirkt im stromlosen Zustand des Elektromagneten 510 eine Magnetisierung des Ankers 525 im Wesentlichen entlang der axialen Richtung, sodass der Anker 525 an dem magnetkernnahen Endpunkt durch die von dem Magnetfeld ausgehende Magnetkraft fixiert, d. h. arretiert wird. Wird der Elektromagnet 510 dagegen bestromt, so entspricht die Funktionsweise der bereits im Zusammenhang mit 1 (A) beschriebenen. Der Betätigungsmagnet 500 ist somit ein monostabiler Betätigungsmagnet.
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Der Betätigungsmagnet 500 ist für den Betrieb innerhalb eines durch eine untere und eine obere eine Grenztemperatur, beispielsweise -40°C - und + 150°C, und eine maximale elektrische Erregung des Elektromagneten definierten Betriebsbereich, beispielsweise AW = 1000 Amperewindungen, spezifiziert. Die Permanentmagnetanordnung 520 ist dabei so konfiguriert, d.h. insbesondere angeordnet, dimensioniert und magnetisiert, dass beim Betrieb des Betätigungsmagneten 500 unter diesen Grenzbedingungen, der Betriebspunkt des Betätigungsmagneten unterhalb einer magnetmaterial- und temperaturabhängigen-Belastungsgrenze bleibt, oberhalb der eine irreversible Entmagnetisierung der Permanentmagnetanordnung 520 durch das magnetische Feld des Elektromagneten 510 auftritt.
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Da im Rahmen der erforderlichen Konfiguration der Permanentmagnetanordnung 520 insbesondere deren Dimensionierung und vor allem deren Dicke entlang der axialen Magnetisierungsrichtung A bedeutsam sind, ist die in axialer Richtung verlaufende Dicke b der Permanentmagnetanordnung, etwa eines entsprechenden Ringmagneten, so groß gewählt, dass eine irreversible Entmagnetisierung durch das Feld des Elektromagneten 510 vermieden wird. Die notwendige Dicke b richtet sich nach den Einsatzbedingungen bezüglich der minimalen und maximalen Temperatur und der elektrischen Erregung. Insbesondere sind Dicken b im Bereich ab 1 mm (Bruchgefahr bei kleineren Dicken b während der Montage des Betätigungsmagneten) und darüber im Hinblick auf die bessere Fertigbarkeit vorteilhaft.
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Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zur Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Erste Bauform eines Betätigungsmagneten gemäß dem Stand der Technik
- 105
- Korpus
- 110
- Elektromagnet, insbesondere Spule
- 115
- Magnetkern
- 120
- radial magnetisierter Permanentmagnet
- 125
- Anker
- 130
- Federelement
- 200
- zweite Bauform eines Betätigungsmagneten gemäß dem Stand der Technik
- 205
- Korpus
- 210
- Elektromagnet, insbesondere Spule
- 215
- Magnetkern
- 220
- axial magnetisierter Permanentmagnet
- 225a,b
- Ankerabschnitte
- 300
- dritte Bauform eines Betätigungsmagneten gemäß dem Stand der Technik
- 305
- Korpus
- 310
- Elektromagnet, insbesondere Spule
- 315
- Magnetkern
- 320
- axial magnetisierter Permanentmagnet
- 325a,b
- Ankerabschnitte
- 330
- Druck-/Zug-Stab
- 400
- erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betätigungsmagneten
- 405
- Korpus
- 410
- Elektromagnet, insbesondere Spule
- 415
- Magnetkern
- 420
- axial magnetisierter Permanentmagnet
- 425
- einstückiger Anker
- 500
- zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betätigungsmagneten
- 505
- Korpus
- 510
- Elektromagnet, insbesondere Spule
- 515
- Magnetkern
- 515a
- Magnetkernabschnitt, insbesondere Ringabsatz
- 520
- axial magnetisierter Permanentmagnet
- 525
- einstückiger Anker
- 530
- Druck-/Zug-Stab
- 535
- Distanzelement, insbesondere Distanzscheibe, aus unmagnetischem Material
- 540
- kraftaufnehmendes Bauteil, insbesondere Jochscheibe
- 545
- Federelement
- 550
- Konusanordnung
- A
- axiale Richtung
- R
- radiale Richtung
- a
- Außendurchmesser der Permanentmagnetanordnung 520
- b
- Dicke der Permanentmagnetanordnung 520
- c
- Außendurchmesser des Magnetkernabschnitts 515a
- d
- Dicke des Magnetkernabschnitts 515a
- e
- Innendurchmesser des Korpus
