-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromagneten umfassend ein Gehäuse, das einen Spulenkörper mit einer Wicklung aufnimmt, zwei Polschuhe, wobei die Polschuhe an entgegengesetzten Seiten des Gehäuses ortsfest in und/oder an dem Gehäuse angeordnet sind und zwischen sich einen Freiraum schaffen, einen Anker, der innerhalb der Wicklung und durch die Polschuhe hindurch axial verschiebbar angeordnet ist.
-
Stand der Technik
-
Elektromagnete finden in vielfältigen Ausführungen als Aktuatoren Verwendung. Beispielhafte Anwendungen sind Antriebe für Magnetventile, Stellelemente im Maschinenbau oder Türöffner. Eine Endlage der Bewegung stellt die Ruheposition des Ankers im stromlosen Zustand dar, die andere wird durch einen mechanischen Anschlag bestimmt, welchen der Anker erreicht, nachdem ein Erregerstrom durch die Spule eine Ankerbewegung in Richtung zu dem Endanschlag bewirkt hat. Der Anker eines Elektromagneten erfährt während seiner Bewegung von der nicht erregten Ruheposition hin zu dem Endanschlag eine zunehmende Beschleunigung, wenn die Spule erregt wird. Dies führt dazu, dass der Anker hart gegen den Endanschlag stößt, was mit einer unerwünschten Geräusch- und Vibrationsausbildung verbunden ist.
-
Spezielle konstruktive Gestaltungen des magnetischen Kreises bewirken bei einigen Ausführungsformen, dass die Kraft in einem Teilbereich des Hubes konstant bleibt (Proportionalmagnete).
-
Bei anderen Ausführungen, wie beispielsweise in
DE 195 43 141 A1 oder
EP 0 935 262 B1 beschrieben, sorgen elastomere Dämpfer für eine Dämpfung von Geräuschen und Erschütterungen.
-
-
-
Das Schriftstück
DE 198 07 875 A1 zeigt eine Energie-Regelung, indem die Ankerauftreffgeschwindigkeit an einem elektromagnetischen Aktuator durch eine extrapolierte Abschätzung der Energieeinspeisung geregelt wird. Weiterhin kann eine elektromagnetische Dämpfung durch eine entsprechend aufwändige Hubmessung des Ankerhubs und somit über eine Hubregelung erfolgen.
-
Das Schriftstück
DE 10 2007 012 151 B4 beschreibt im Zusammenhang mit einem Elektromagneten einen Wirbelstromdämpfer zur Dämpfung der Magnetostriktion.
-
Das Dokument
DE 198 19 818 A1 offenbart einen verbesserten elektromagnetischen Kraftmotor mit interner Wirbelstromdämpfung. In der bevorzugten Ausführungsform besteht der Motor aus einem Körper, einem Paar Permanentmagneten, einer elektromagnetischen Spule und einem Anker. Der Anker ist in Bezug auf den Körper so positioniert, dass zwei Arbeitsluftspalte mit variabler Reluktanz und ein nicht arbeitender Luftspalt mit konstanter Reluktanz definiert werden. Die Permanentmagnete stehen sich gegenüber und sind am Körper montiert. Der Körper und der Anker sind beide so ausgelegt, dass sie einen magnetischen Fluss leiten. Jeder Arbeitsluftspalt enthält einen magnetischen Fluss, der die algebraische Summe eines Flusses ist, der den Permanentmagneten zugeordnet werden kann, und eines Flusses, der der Spule zugeordnet werden kann. Der nicht arbeitende Luftspalt enthält Flussmittel, die nur auf die Permanentmagnete zurückzuführen sind. Ein stromleitendes Element ist am Anker angebracht und innerhalb des nicht arbeitenden Luftspalts positioniert. Das stromleitende Element bewegt sich linear in dem nicht arbeitenden Luftspalt in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Fluss darin ist, so dass Wirbelströme in dem Element induziert werden. Die Elemente des Motors sind so konfiguriert, dass die Wirbelströme eine Funktion der Geschwindigkeit des Ankers relativ zum Körper sind, jedoch keine Funktion von Änderungen des Flusses, die entweder der Spule oder der Position des Ankers zuzuschreiben sind. Die Wirbelströme dämpfen die Ankergeschwindigkeit.
-
Das Dokument
EP 0 284 634 A1 offenbart eine elektromechanische Positioniervorrichtung mit einem Gehäuse, einer darin angeordneten Spule und einem Anker, der sich in der Spule bewegen kann, wobei die Positionierungsvorrichtung durch eine Federanordnung in einer neutralen Position gehalten wird. Die Federanordnung besteht aus einer im wesentlichen flachen Scheibe, die in ihrer Mitte fest mit einer mit dem Anker verbundenen Stange verbunden ist und die in ihrem äußeren Randbereich an dem Gehäuse angebracht ist. Die Federscheibe befindet sich im Inneren des Gehäuses und ist mit spiralförmig verlaufenden Schlitzen versehen. Die Feder arbeitet reibungsfrei, wodurch eine Hysterese zwischen der Intensität des der Spule zugeführten Steuerstroms und der Bewegung des Ankers vermieden wird.
-
Weiterhin offenbart das Dokument
JP 2015-170 847 A einen elektromagnetischen Aktuator.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Elektromagneten mit einer alternativen Ankerdämpfung anzugeben, der bei einem einfachen Aufbau eine verbesserte Dämpfung des Ankeranschlags am Ende der Ankerbewegung erlaubt.
-
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 2 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Der erfindungsgemäße Elektromagnet kann sowohl als monostabiler Elektromagnet wie auch als bistabiler Elektromagnet ausgebildet sein.
-
Erfindungsgemäß umfasst der Elektromagnet ein Gehäuse, zwei Polschuhe und einen Anker.
-
Das Gehäuse umschließt entsprechend der vorliegenden Erfindung einen Spulenkörper, der eine Wicklung trägt. Die Wicklung bildet dabei eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes aus.
-
Die zwei Polschuhe sind erfindungsgemäß an entgegengesetzten Seiten, einander gegenüberliegend, ortsfest in und/oder an dem Gehäuse angeordnet. Zwischen den Polschuhen bildet sich erfindungsgemäß ein Freiraum in dem Gehäuse aus.
-
Die Begrifflichkeit „ortsfest“ beschreibt in diesem Zusammenhang eine axial feste sowie drehfeste Anordnung.
-
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist der Anker innerhalb der Wicklung axial und durch die Polschuhe hindurch axial verschiebbar.
-
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante umfasst der Elektromagnet zumindest zwei permanentmagnetische Elemente und zumindest ein elektrisch leitfähiges Element, wobei das elektrisch leitfähige Element und die permanentmagnetischen Elemente scheibenförmig ausgebildet sind und wobei die permanentmagnetischen Elemente und das elektrisch leitfähige Element in dem Freiraum angeordnet sind.
-
Der Anker ist in dieser ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante des Elektromagneten durch die permanentmagnetischen Elemente hindurch axial verschiebbar, wobei in axialer Richtung ein elektrisch leitfähiges Element zwischen den zwei permanentmagnetischen Elementen angeordnet ist und wobei in dem elektrisch leitfähigen Element durch dessen Transversalbewegung im Magnetfeld der beiden stationären, permanentmagnetischen Elemente Wirbelströme entstehen.
-
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante umfasst der Elektromagnet zumindest ein permanentmagnetisches Element und zumindest zwei elektrisch leitfähige Elemente, wobei die elektrisch leitfähigen Elemente und das permanentmagnetische Element scheibenförmig ausgebildet sind und wobei das permanentmagnetische Element und die elektrisch leitfähigen Elemente in dem Freiraum angeordnet sind.
-
Der Anker ist in dieser zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante des Elektromagneten durch die elektrisch leitfähigen Elemente hindurch axial verschiebbar, wobei in axialer Richtung ein permanentmagnetisches Element zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Elementen angeordnet ist und wobei in den beiden stationären, elektrisch leitfähigen Elementen durch die Bewegung des permanentmagnetischen Elements Wirbelströme entstehen.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Elektromagneten wird ein gezieltes Dämpfungsdesign, das nahezu unabhängig von seiner Einbaulage ist, geschaffen.
-
Die Dämpfungskraft als Maß für die erzielte Dämpfung ergibt sich im Allgemeinen aus der Dämpfungskonstanten multipliziert mit der Geschwindigkeit im Dämpfungselement, d.h. die Dämpfungskonstante ist direkt proportional zu der Dämpfungskraft und somit die Dämpfungskraft umso höher, je höher die Dämpfungskonstante. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Elektromagneten ist die Dämpfungskonstante nahezu unabhängig von der Anker-/Schaltgeschwindigkeit - sie nimmt lediglich leicht über eine steigende Schaltgeschwindigkeit (höhere Frequenzanregung) ab. Die Dämpfungskonstante kann über die Dimensionierung des permanentmagnetischen Elements, ist dieses als Scheibe ausgebildet über dessen Breite, eingestellt werden. Weiterhin steigt die Dämpfungskonstante mit steigender Dicke des elektrisch leitfähigen Elements und mit sinkendem Luftspalt zwischen dem permanentmagnetischen Element und dem elektrisch leitfähigen Element an. Die Dämpfungskonstante kann ebenso durch die Auswahl eines permanentmagnetischen Elements mit hoher Remanenz, zum Beispiel N52-Güte, erhöht werden. Die Dämpfung der durch die Magnetostriktion verursachten akustischen Emission ist besonders in einem niedrigen Frequenzbereich, nämlich kleiner 1000 Hertz, erfolgreich. Besonders dieser Frequenzbereich ist in der psycho-Akustik relevant.
-
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
-
Bevorzugt ist das elektrisch leitfähige Element aus Kupfer hergestellt.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrisch leitfähige Element eine Beschichtung auf. Diese Beschichtung kann aus Silber bestehen. Derart kann das leitfähige Element weiter hinsichtlich der Leitung der Wirbelströme optimiert werden. Ist das elektrisch leitfähige Element als Scheibe ausgebildet, so steigen die Wirbelströme zum Rand hin an. Höhere Wirbelströme bedingen eine höhere Dämpfungskonstante.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Elektromagneten erfolgt eine Dämpfung des Ankers, genauer der Betätigungsstange an dem Anker, über in dem elektrisch leitfähigen Element induzierte Wirbelströme. Die dabei entstehende Lorenzkraft wirkt der eigentlichen Aktuierungskraft des Elektromagneten entgegen. Die daraus resultierende Dämpfungskonstante reduziert die akustische Emission des Elektromagneten im dynamischen Schalten (Einfahren und/oder Ausfahren der Betätigungsstange) sowie in einem bestromten Haltezustand, wo die Magnetostriktion unerwünschte Geräusche verursacht.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine Querschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Elektromagneten.
- 2 zeigt eine Querschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Elektromagneten.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
1 und 2 zeigen jeweils eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromagneten 1. Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich dadurch, dass einmal ein elektrisch leitfähiges Element 11 (1) und einmal ein Permanentmagnet 10 (2) bewegt wird.
-
Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt im Folgenden eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Längsachse 12 des Elektromagneten 1. Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf die zentrale Längsachse 12 des Elektromagneten 1.
-
Der Elektromagnet 1 weist ein einseitig offen, in Bezug auf 1 und 2 auf der jeweils linken Seite offen, ausgebildetes Gehäuse 2 auf. Das Gehäuse 2 ist aus magnetischem Material hergestellt und nimmt einen Spulenkörper 3 auf. Der Spulenkörper 3 trägt eine Wicklung 4. Die Wicklung 4 bildet eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes, wobei das magnetische Gehäuse 2 zur magnetischen Flussführung dient.
-
Weiterhin weist der Elektromagnet 1 zwei Polschuhe 5, 6, nämlich einen ersten Polschuh 5 und einen zweiten Polschuh 6, auf. In der Querschnittansicht gemäß 1 und 2 ist jeweils rechts der erste Polschuh 5 angeordnet. In der Querschnittansicht gemäß 1 und 2 ist jeweils links der zweite Polschuh 6 angeordnet. Der erste Polschuh 5 umfasst einen ersten Polkern 14 und ein Polrohr 13. Das Polrohr 13 ist innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. Innerhalb des Pohlrohrs 13 ist ortsfest an diesem der erste Polkern 14 angeordnet. In axialer Richtung entgegengesetzt zum ersten Polschuh 5 ist der zweite Polschuh 6 angeordnet. Der zweite Polschuh 6 verschließt die offene Seite des Gehäuses 2 zumindest teilweise. Der zweite Polschuh 6 umfasst einen zweiten Polkern 15 und ein Schließelement 16, wobei das Schließelement 16 ortsfest an dem zweiten Polkern 15 angeordnet ist. Der erste Polschuh 5 und der zweite Polschuh 6 sind aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt.
-
Das Polrohr 13 des ersten Polschuhs 5 umschließt einen Anker 8. Der Anker 8 ist ebenso aus einem magnetisch leitfähigen Material hergestellt. Der Anker 8 ist innerhalb des Polrohrs 13 des ersten Polschuhs 5 axial verschiebbar angeordnet. Der Anker 8 weist einen Zylinder 17 mit einer zentralen Innenbohrung auf, in der eine Betätigungsstange 9 befestigt ist. Die Betätigungsstange 9 ist durch eine in dem ersten Polkern 14 des ersten Polschuhs 5 und eine im Schließelement 16 des zweiten Polschuhs 6 ausgebildete Bohrung aus dem Gehäuse 2 herausgeführt (in 1 und 2 nach links).
-
Zwischen dem ersten Polschuh 5 und dem zweiten Polschuh 6 ist in axialer Richtung ein Freiraum 7 ausgebildet. In dem Freiraum 7 zwischen dem ersten Polschuh 5 und dem zweiten Polschuh 6 ist zumindest ein elektrisch leitfähiges Element 11, 11' und zumindest ein permanentmagnetisches Element 10, 10' angeordnet.
-
Das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagneten 1 gemäß 1 zeigt in dem Freiraum 7 ein elektrisch leitfähiges Element 11 das in axialer Richtung zwischen zwei permanentmagnetischen Elementen 10, 10' angeordnet ist. Das elektrisch leitfähige Element 11 und die beiden permanentmagnetischen Elemente 10, 10' bilden einen bidirektional wirksamen Wirbelstromdämpfer aus. Das elektrisch leitfähige Element 11 ist platten bzw. scheibenförmig ausgebildet und besteht aus Kupfer. Die beiden permanentmagnetischen Elemente 10, 10' sind ebenso platten bzw. scheibenförmig ausgebildet. In dem elektrisch leitfähigen Element 11 entstehen durch dessen Transversalbewegung im Magnetfeld der beiden stationären permanentmagnetischen Elemente 10, 10' Wirbelströme. Es wird ein Magnetfeld mit umgekehrter Polarität aufgebaut. Die entstehende Magnetkraft wirkt entgegen der Bewegungsrichtung der Betätigungsstange 9 des Elektromagneten 1. Der ohmsche Widerstand des elektrisch leitfähigen Elements 11 wandelt die induzierten Wirbelströme in zu vernachlässigende Mengen an Energie in Form von Wärme um.
-
Das zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagneten 1 gemäß 1 zeigt in dem Freiraum ein permanentmagnetisches Element 10 das in axialer Richtung zwischen zwei elektrisch leitfähigen Elementen 11, 11` angeordnet ist. Die beiden elektrisch leitfähigen Elemente 11, 11' und das permanentmagnetische Element 10 bilden auch hier einen bidirektional wirksamen Wirbelstromdämpfer aus. Das permanentmagnetische Element 10 ist platten bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die beiden elektrisch leitfähigen Elemente 11, 11` sind ebenso platten bzw. scheibenförmig ausgebildet und bestehen aus Kupfer. In den beiden stationären, d.h. ortsfesten, elektrisch leitfähigen Elementen 11, 11` entstehen durch die Bewegung des permanentmagnetischen Elements 10 Wirbelströme. Die dadurch entstehende Magnetkraft wirkt entgegen der Bewegungsrichtung der Betätigungsstange 9 des Elektromagneten 1. Der ohmsche Widerstand der elektrisch leitfähigen Elemente 11, 11' wandelt die induzierten Wirbelströme in eine vernachlässigbare Menge an Energie in Form von Wärme um.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Elektromagnet
- 2
- Gehäuse
- 3
- Spulenkörper
- 4
- Wicklung
- 5
- Erster Polschuh
- 6
- Zweiter Polschuh
- 7
- Freiraum
- 8
- Anker
- 9
- Betätigungsstange
- 10, 10'
- Permanentmagnetisches Element
- 11, 11`
- Elektrisch leitfähiges Element
- 12
- Zentrale Längsachse
- 13
- Polrohr
- 14
- Erster Polkern
- 15
- Zweiter Polkern
- 16
- Schließscheibe
- 17
- Zylinder
