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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktor, der als Hub- und/oder Haftmagnet für einen Anker ausgebildet ist und ein äußeres magnetisch leitfähiges Gehäuse und einen inneren Kern / Pol aufweist.
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Durch ihren einfachen und hocheffizienten Aufbau stellt diese Form von Aktoren im Aufbau als Elektromagnet oder hybrider Magnetbaugruppe mit integrierten Permanentmagneten eines der ältesten Antriebselemente dar und ist in vielen Anwendungsbereichen wie z.B. dem Maschinenbau, der Fahrzeugtechnik und der Automatisierungstechnik im Einsatz. Als Antriebselement für begrenzte rotatorische und lineare Bewegungen meist mit kleiner Leistungsaufnahme, wandelt beispielsweise ein elektromagnetischer Aktor die eingebrachte elektrische Energie zuerst in magnetische Energie um, bevor aus dieser eine Wandlung in mechanische Bewegungsenergie in Form von Kraft bzw. Drehmoment erfolgt. Je nach Einsatz- und Aufgabengebiet können diese Aktoren unter anderem nach der Art der Kraftwirkung in Zug-, Stoß-, Dreh-, Schwing- und Halte- bzw. Haftmagnete unterteilt werden, die lineare / schwenkende oder drehende Bewegungen ausführen können. Unter einem Zug- bzw. Stoßmagneten versteht man allgemein einen Hubmagneten, der lineare Bewegungen ausführt.
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Ein Hubmagnet weist einen größeren Stellbereich (bis einige mm) mit einer charakteristischen und ggf. einstellbaren Kraft-Weg-Kennlinie auf. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall, z.B. beim Einsatz des Magneten zur Betätigung eines Ventils, ist zur Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie oftmals eine Anpassung / Optimierung des magnetischen Kreises und/oder eine Steuerung oder Regelung erforderlich. Die Bestromung des Hubmagneten kann analog oder getaktet erfolgen.
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Hauptaufgabe eines Haftmagneten hingegen ist das Halten bzw. Fixieren magnetisierbarer Werkstücke oder Gegenstände, die in diesem Fall als Anker dienen. Durch die erzeugte magnetische Haftkraft wird ferromagnetisches Material magnetisiert und mit hoher Kraft durch das generierte Magnetfeld festgehalten. Die Kraftwirkung ist dabei auf eine sehr kurze Distanz eingeschränkt und durch eine stark nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie gekennzeichnet. Für diese Aufgabe ist es nicht erforderlich, dass der Elektromagnet einen großen Stellweg abdecken muss. Es genügt die Anziehung aus geringer Entfernung mit einer bis zum Anschlagpunkt stark nichtlinear anwachsenden Haltekraft mit abnehmendem Luftspalt.
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Stand der Technik
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Wird ein Haftmagnet mit Strom beaufschlagt und durch das erzeugte Magnetfeld ein Anker (mit magnetisierbarem Anteil) angezogen, ist dieser Vorgang häufig mit einem unerwünschten Schließgeräusch verbunden. 1 zeigt hierzu in schematischer Darstellung ein elektromagnetisches Haftmagnetsystem, das ein äußeres Gehäuse 2 und einen inneren Kern 3 aufweist, die einen äußeren und inneren Pol des Elektromagneten bilden. Wird mit diesem Elektromagneten ein zu haltendes Bauteil in Form einer Ankerplatte 4 durch Beaufschlagung der Spule 1 mit einem Strom und daraus resultierender Kraft angezogen, so entsteht ein unerwünschtes Schließgeräusch beim Auftreffen der Ankerplatte 4 auf die Pole des Elektromagneten, wie dies in 1 angedeutet ist. Ein ähnlich problematisches Verhalten hinsichtlich Geräuschentwicklung weisen Hubmagnete auf, bei welchen der Anker bzw. die Ankerplatte 4 Teil des beweglichen Systems der Elektromagneten ist. Bei Schalten / Bewegen des Ankers von der Hubanfangs- in die Hubendlage tritt ebenfalls eine unerwünschte Geräuschentwicklung auf. Diese Schließgeräusche sind insofern problematisch, dass sie in vielen Fällen als störend empfunden werden und gegen die Lastenheftforderung des Kunden verstoßen und idealerweise vermieden bzw. auf eine minimale Geräuschentwicklung hin optimiert werden müssen.
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Zur Geräuschminimierung beim Schalten eines Elektromagneten ist es bekannt, zusätzliche Bauteile in den Luftspalt wie beispielsweise Dämpfungselemente ausgeführt als Dämpfungsringe oder Ähnliches zur Reduzierung des Schaltgeräusches einzusetzen, wie dies beispielsweise in der
DE 36 32 475 A1 vorgeschlagen wird. Dabei wird der Hub des Magneten verkürzt und die Bewegungsenergie in Richtung Hubende verringert.
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Für den jeweils umzusetzenden Schalt- oder Haftvorgang muss ein Anwender in der Regel entscheiden, ob Eigenschaften eines Hub- oder eines Haftmagneten gefordert bzw. geeignet sind. Ein Hubmagnet ermöglicht die Gestaltung bzw. Anpassung der Kraft-Weg-Kennlinie bezüglich der zurückzulegenden Hubstrecke. Linearisierungen und stromproportionales Kraft- bzw. Hubverhalten sind möglich und über entsprechende Gestaltung des magnetischen Kreises und Ansteuerung des Magneten zu realisieren. Kritisch ist hierbei jeweils die Hubanfangslage, da hier das Kraftniveau über einem für die Durchführung der Antriebsaufgabe ausreichenden Minimum liegen muss, um ein Anfahren bzw. Schalten in jedem Einsatzfall zu ermöglichen. Dies wird über eine Kennlinienbeeinflussung erreicht, bei der die zur Verfügung stehende Hubarbeit dahingehend optimiert wird, ein entsprechend hohes Kraftniveau zu Beginn des Hubes zur Verfügung stellen zu können. Allerdings ist es bisher nicht möglich, eine große Kraft bei vertretbarer elektrischer Energieeinbringung über einen möglichst großen Arbeitshub zu erzeugen bzw. aufrechtzuerhalten. Der Fokus der Entwicklung liegt daher bisher häufig nur in der Bereitstellung einer großen Kraft oder in der Realisierung eines großen Stellwegs. Dabei werden Haftmagnete für hohe Kräfte bei kleinen Stellwegen und Hubmagnete für geringere Kräfte bei hohen Stellwegen eingesetzt.
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Die WO 2013/ 024 061 A1 beschreibt einen Auslöser für einen Schutzschalter mit zwei zueinander und in Längsrichtung einer Spule beweglichen Teilankern. Die beiden beweglichen Teilanker, die untereinander durch eine Feder mechanisch gekoppelt sind, werden beide mit elektromagnetischen Kräften entgegen der vorgespannten Federn zueinander bewegt und damit angezogen.
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Die
JP S43-13 571 Y1 beschreibt einen sogenannten Klappanker-Magneten. Der bewegliche Anker wird über eine Feder in der hinteren Endlage gehalten. Wird die Spule bestromt, wirkt eine elektromagnetische Kraft und bewegt diesen Anker in Richtung einer Polplatte, die den Klappanker anzieht.
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Die
JP S61 353 56 U zeigt einen in gleicher Weise aufgebauten Klappanker-Magneten, bei dem zusätzlich ein Dämpfungselement zwischen der Feder und der Polplatte eingesetzt wird.
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In der
DE 10 2016 107 461 A1 ist eine Aktorvorrichtung beschrieben, die eine statische Einheit, ein relativ zur statischen Einheit bewegliches elektromagnetisches Aktorelement und ein reaktives MSM-Formgedächtniselement aufweist. Das Formgedächtniselement wird zur Dämpfung einer Bewegung des Aktorelements eingesetzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Aktor bereitzustellen, mit dem bei Anziehen eines Ankers eine große Kraft auch über einen größeren Stellweg als bei bisher bekannten Hub- oder Haftmagneten mit äußerem Gehäuse und innerem Kern erzeugt oder aufrechterhalten werden kann und der sich gleichzeitig durch eine verringerte Geräuschentwicklung auszeichnet.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Aktor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Aktors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Der vorgeschlagene Aktor ist als Hub- und/oder Haftmagnet für einen Anker ausgebildet, der je nach Ausgestaltung des magnetischen Systems als Teil dieses Aktors oder auch durch ein externes Bauteil realisiert sein kann, das mit dem Aktor gehalten werden soll. Der vorgeschlagene Aktor weist wenigstens ein äußeres magnetisch leitfähiges Gehäuse und einen inneren Kern bzw. Pol auf, ist also beispielsweise als Solenoid-, Topf- oder Bügelmagnet mit einem inneren Kern ausgebildet. Durch die Stirnfläche(n) des äußeren Gehäuses, die während des Einsatzes des Aktors zum anzuziehenden Anker gerichtet sind, wird eine (virtuelle) vordere Begrenzungsebene aufgespannt. Der vorgeschlagene Aktor zeichnet sich dadurch aus, dass der innere Kern bzw. innere Pol entlang einer Achse senkrecht zur vorderen Begrenzungsebene, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Bewegungsachse bezeichnet, zwischen einer vorderen Endlage, in der der innere Kern über die vordere Begrenzungsebene übersteht, und einer hinteren Endlage beweglich ausgebildet ist. In der hinteren Endlage steht der innere Kern nicht mehr über die vordere Begrenzungsebene über. Der vorgeschlagene Aktor weist außerdem ein Stellelement auf, insbesondere ein mechanisches Stellelement oder ein Formgedächtniselement, mit dem der innere Kern mit einer Stellkraft in die vordere Endlage bewegbar ist. Dieses Stellelement ist so ausgebildet, dass der innere Kern entgegen der Stellkraft durch eine Gegenkraft, wie sie bei Anziehung des Ankers durch den Anker auf den vorderen Teil des inneren Kerns ausgeübt wird, aus der vorderen in Richtung der hinteren Endlage bewegt werden kann.
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Durch einen derart ausgestalteten Aktor kann der innere Kern bzw. innere Pol durch das mechanische Stellelement / Formgedächtniselement bereits vor oder bei Beginn einer Bestromung des Aktors und somit dem Beginn des Anziehvorganges näher an den Anker gebracht werden als das äußere Gehäuse bzw. der oder die äußeren Pole. Dadurch wird gegenüber einem herkömmlichen mit äußerem Gehäuse und innerem Kern ausgebildeten Aktor bei Beginn des Anziehvorganges bereits eine größere Kraft auf den Anker ausgeübt. Sobald der Anker den inneren Kern berührt, nimmt er diesen entgegen der Stellkraft des mechanischen Stellelementes / Formgedächtniselements mit in Richtung der hinteren Endlage des inneren Kerns bis die Hubbewegung oder Anziehbewegung des Ankers durch einen entsprechenden Anschlag beendet ist. Dieser Anschlag kann durch Erreichen der hinteren Endlage des inneren Kerns, durch Auftreffen des Ankers auf das äußere Gehäuse bzw. den oder die äußeren Pole oder auch durch Auftreffen des Ankers auf ein zusätzliches Anschlagelement am Aktor verursacht sein. Der Aktor kann vorzugsweise als Elektromagnet oder hybride Magnetbaugruppe, bestehend aus Spule und Permanentmagneten aufgebaut sein.
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Der vorgeschlagene Aktor vereint somit die positiven Eigenschaften eines Hub- und eines Haftmagneten, um eine für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete, optimale Kraft-Weg-Kennlinie bei angepasstem Kraftniveau zu erhalten. Bisherige Konzepte stoßen hier an ihre konstruktiven und steuerungstechnischen Grenzen. Jede Erhöhung der Anzugkraft des Ankers zu Beginn des Hubes durch Kennlinienbeeinflussung bei einem herkömmlichen Hubmagneten ist mit einer Absenkung der Magnetkraft bei kleiner werdendem Luftspalt verbunden. Bei Haftmagneten hingegen ist eine starke nichtlineare Kraftabsenkung mit steigendem Luftspalt nicht zu verhindern bzw. ein Anziehen nicht mehr gegeben. Durch die Kombination der charakteristischen Eigenschaften eines Hub- und eines Haftmagneten gemäß der vorliegenden Erfindung gelingt es, eine Verfahr- bzw. Hubbewegung bei entsprechend hohem Kraftniveau zu Beginn des Hubes und auch ein entsprechend hohes Kraftniveau bei Hubende zu realisieren. Dies ermöglicht eine große Kraft bei vertretbarer elektrischer Energieeinbringung über einen größeren Arbeitshub als dies bisher bei derartigen Aktoren / Magneten möglich ist. Durch die Ausbildung des mechanischen Stellelementes / Formgedächtniselements als Element, gegen dessen Stellkraft die Anziehungs- bzw. Hubbewegung erfolgt, wird auch eine Geräuschdämpfung beim Betrieb des Elektromagneten erreicht. Mit dem vorgeschlagenen Elektromagneten wird daher ein geräuschgedämpfter Aktor bereitgestellt, welcher eine Anpassung bzw. Linearisierung der Kraft-Weg-Kennlinie mit großem konstruktivem Spielraum im Verfahrweg bei gleichzeitig hoher Haltekraft unter geringer elektrischer Energieeinprägung möglich macht.
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Der bewegliche innere Kern sollte dabei vorzugsweise in Kontakt mit oder nur durch einen geringen Spalt von dem restlichen (statischen) Kern beabstandet sein, um den Magnetfluss innerhalb des Kerns möglichst gering zu beeinflussen. Der innere Kern kann dabei beispielsweise innerhalb einer Führung bewegt werden, die durch einen Teil des statischen Kerns gebildet wird. Ein Spalt sollte dabei vorzugsweise ≤ 0,3 mm, insbesondere zwischen 0,1 und 0,3 mm, betragen und kann auch mit einem geeigneten Material gefüllt sein, durch das die Gleiteigenschaften des inneren Kerns innerhalb dieser Führung verbessert werden, beispielsweise mit einer Teflonfolie.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Aktors weist dieser als mechanisches Stellelement ein elastisches Element auf, insbesondere ein Federelement, durch das der innere Kern im stromlosen Zustand des Aktors in der vorderen Endlage gehalten wird. Bei einem Stromfluss durch den Aktor zieht dieser dann den Anker an, der wiederum den inneren Kern dadurch gegen die Federkraft zurück in Richtung ihrer hinteren Endlage drückt. Zusätzlich kann auf der Bewegungsachse zwischen dem elastischen Element und dem statischen Kern bzw. einem statischen Kernabschnitt des Aktors ein Dämpfungselement eingesetzt werden, durch das die Geräuschdämpfung noch verstärkt wird.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Aktors weist dieser als Stellelement ein Formgedächtniselement aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung auf, das unmittelbar nach einer Stromzufuhr und damit magnetischem Feldaufbau den inneren Kern des Aktors in die vordere Endlage bewegt. Hierzu ist die magnetische Feldführung im inneren Kern des Aktors derart angepasst, dass der Magnetfluss das Formgedächtniselement bestehend aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung quer zu dessen Stellbewegung durchdringt.
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Magnetische Formgedächtnislegierungen (MSM: Magnetic Shape Memory) sind Legierungen, die ihre geometrische Form bei Anlegen eines externen Magnetfeldes ändern. Das am weitesten verbreitete MSM-Material ist NiMnGa. Abhängig vom angelegten Magnetfeld H, der mechanischen Spannung σ im Material und der Temperatur T können mit magnetischen Formgedächtnislegierungen Dehnungen bis zu 6 % und baugrößenabhängig hohe Druckkräfte erzeugt werden. Die Dehnung von MSM-Materialien auf Basis eines externen Magnetfeldes wird größtenteils zum Auslegen von Aktoren genutzt. Durch Bestromung eines elektromagnetischen Kreises oder den Einsatz von Permanentmagneten wird das MSM-Material gedehnt. Somit können verschiedene Positionier- und Stellaufgaben realisiert werden. Durch die vom äußeren Magnetfeld abhängige Veränderung der MSM Legierung kann ebenfalls die Permeabilität des magnetischen Kreises verändert und dadurch der magnetische Fluss eingestellt werden.
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Das als MSM-Element ausgebildete Stellelement ist hierbei vorzugsweise auf der Bewegungsachse zwischen dem beweglichen inneren Kern und einem statischen Kernabschnitt angeordnet und fest mit diesen verbunden. Im stromlosen Zustand des Aktors ist das MSM-Material gestaucht und das MSM-Element befindet sich in seiner hinteren Endlage. Bei Stromzufuhr durch die Spule des Aktors dehnt sich das MSM-Element aufgrund des magnetischen Querflusses bis in seine vordere Endlage aus. Diese Ausdehnung erfolgt sehr schnell, so dass dieses Stellelement bereits unmittelbar nach Stromzufuhr zum Aktor in der vorderen Endlage ist und dadurch einen verkleinerten Luftspalt mit entsprechend großer magnetischer Anziehungskraft auf den Anker realisiert wird. Durch die Anziehbewegung des Ankers staucht dieser das MSM-Element wieder auf die ursprüngliche Länge zusammen. Dadurch wird auch in dieser Ausgestaltung eine verbesserte Kraft-Weg-Kennlinie für die Hub- bzw. Anzieh-Bewegung des Ankers erreicht. Durch die Bewegung entgegen der Stellkraft des Stellelementes wird die Bewegung des Ankers gedämpft und damit auch die Geräuschentstehung bei der Schließ- bzw. Anziehbewegung minimiert.
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Figurenliste
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Der vorgeschlagene Aktor wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Arbeitsweise eines Haftmagneten gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Arbeitsweise einer ersten beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktors bei Beginn des Anziehvorganges;
- 3 eine schematische Darstellung des Aktors gemäß 2 bei Ende des Anziehprozesses;
- 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus und der Arbeitsweise einer zweiten beispielhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktors mit Formgedächtniselement im stromlosen Zustand des Aktors;
- 5 eine schematische Darstellung des Aktors mit Formgedächtniselement der 4 während des Anziehvorganges; und
- 6 eine schematische Darstellung des Aktors mit Formgedächtniselement der 4 bei Ende des Anziehvorganges.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Die Funktionsweise und der Aufbau eines Haftmagneten mit äußerem Gehäuse und innerem Kern gemäß dem Stand der Technik wurde in Verbindung mit 1 bereits in der Beschreibungseinleitung erläutert.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktors ist in 2 schematisch dargestellt. Das Gehäuse des Aktors ist in diesem Beispiel in Topfform ausgebildet und weist entsprechend ein äußeres magnetisch leitfähiges Gehäuse 2 sowie einen inneren Kern 3 auf. Der innere Kern 3 ist bei dem erfindungsgemäßen Aktor beweglich gelagert und ermöglicht somit eine zusätzliche interne Stellbewegung entlang einer Achse senkrecht zu der durch die Stirnflächen des äußeren Gehäuses 2 aufgespannten vorderen Begrenzungsebene 5 des Aktors. Der bewegliche innere Kern 3 wird im unbelasteten stromlosen Zustand durch eine Feder 6 als mechanisches Stellelement in eine vordere Endlage gedrückt, bei der der innere Kern 3 über die vordere Begrenzungsebene 5 übersteht, wie dies in 2 angedeutet ist. Im vorliegenden Beispiel ist weiterhin auf der Bewegungsachse zwischen der Feder 6 und dem darunter liegenden statischen Kernabschnitt des Elektromagneten ein Dämpfungselement 7 integriert, das fest mit dem statischen Kernabschnitt verbunden ist.
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Wird die Spule 1 des Aktors bestromt, bildet sich ein magnetischer Kreis (vgl. magnetischer Fluss 8) über den Rückschluss des äußeren Gehäuses 2, den beweglichen inneren Kern 3 und die in 2 ebenfalls dargestellte Ankerplatte 4. Auf Basis der Maxwell'schen Zugkraft wird eine Grenzflächenkraft auf die Ankerplatte 4 ausgeübt, die aufgrund des über die Begrenzungsebene 5 herausstehenden inneren Kerns bzw. Pols 3 aus größerer Entfernung angezogen werden kann. Da der innere Kern 3 sich in seiner vorderen Endlage befindet, ist der Luftspalt verkürzt und die Kraft auf die Ankerplatte 4 im Ausgangszustand höher verglichen mit einem konventionellen Haftmagneten wie bei 1, wo bei gleicher geometrischer Endlage die Ankerplatte 4 aufgrund der großen Distanz zu den Polen des Elektromagneten ggf. nicht mehr angezogen werden kann. Beim Schließen der Ankerplatte 4 wird diese zuerst auf den inneren Kern 3 gedrückt. Durch diese Kontaktkraft wird der innere Kern 3 gegen die Federkraft der Feder 6 in die hintere Endlage bewegt. Dies ist in der Darstellung der 3 angedeutet, bei dem der innere Kern 3 seine hintere Endlage erreicht hat. Durch geeignete Dimensionierung des inneren Kerns 3 kann erreicht werden, dass die Ankerplatte 4 in angezogenem Zustand nicht das äußere Gehäuse 2 berührt (vgl. 3) und damit auch ein zusätzliches Kontaktgeräusch vermieden wird.
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Durch diese Ausgestaltung des Aktors wird die Kraft-Weg-Kennlinie beim Schließvorgang insoweit vorteilhaft verändert, dass ein vergrößerter Hub bei in Endlage hohen Haftkräften erreicht wird. Durch die Schließbewegung entgegen der Federkraft erfolgt eine Dämpfung der Bewegung, die zu einer Geräuschminderung führt. Das in diesem Beispiel zusätzlich verbaute Dämpfungselement 7 dämpft den inneren Kern 3 beim Schließen und verringert somit die Geräuschentstehung zusätzlich.
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Mit der dargestellten Ausgestaltung ist es somit möglich, vorteilhaft Einfluss auf die Kraft-Weg-Kennlinie des Aktors zu nehmen. Durch die konstruktive Gestaltung des Aktors und den Einsatz des elastischen Stellelementes in Verbindung mit dem beweglichen inneren Kern ist eine optimale Konfiguration von Hub- und geforderter Kraft (Verfahr- und Haftkraft) möglich. Je nach Einsatz- und Aufgabengebiet kann der Aufbau konstruktiv für einen klassischen Hub- bzw. auch für einen Haftmagneten angepasst werden. Auch Hybridanwendungen mit zusätzlichem Einsatz von permanentmagnetischem Material in beiden Aktortypen sind möglich. Des Weiteren werden Geräusche im Aktor beim Schaltvorgang deutlich reduziert.
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Das Dämpfungselement 7 kann vorzugsweise in Kombination mit der Feder 6 zur Rückstellung eingesetzt werden. Es kann aber auch nur ein einzelnes elastisches Element eingesetzt werden, das in angepasster Steifigkeit und geometrischer Ausdehnung den Hubbereich des Elektromagneten derart beeinflusst, dass in Summe eine große Hubbewegung bei hohem Kraftniveau realisiert werden kann. Die Verringerung des Schaltgeräusches kann entsprechend der Gestaltung dieses Elementes ebenfalls positiv beeinflusst bzw. optimiert werden.
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Die 4 bis 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Aktors in verschiedenen Betriebszuständen. In diesem Beispiel ist der Aktor wiederum als Topfmagnet mit einem äußeren Gehäuse 2 und einem inneren Kern 3 ausgeführt. Auch hier ist der innere Kern 3 beweglich gelagert, so dass er entlang einer Achse senkrecht zu der durch die Stirnflächen des äußeren Gehäuses 2 aufgespannten Begrenzungsebene 5 bewegt bzw. verfahren werden kann und somit eine zusätzliche interne Stellbewegung ermöglicht. Im vorliegenden Beispiel wird ein MSM-Element 9 als Stellelement für den inneren Kern 3 verwendet. Der innere Kern 3 ist in unbelastetem (stromlosem) Zustand durch das gestauchte MSM-Element 9 in Hubanfangslage und damit in seiner hinteren Endlage. Die Vorderseite des inneren Kerns 3 ist dabei in diesem Beispiel in der vorderen Begrenzungsebene 5 positioniert, wie in 4 zu erkennen ist. Das MSM-Element 9 ist fest mit dem inneren Kern 3 und über eine magnetisch isolierende Platte 11, bspw. aus Aluminium oder Kunststoff, mit dem statischen Kern verbunden. Durch geeignete Führung des magnetischen Flusses wird erreicht, dass bei Zuschaltung des Stroms ein magnetischer Fluss quer zur Längserstreckung des MSM-Elements 9 durch dieses Element tritt, um die Ausdehnung des MSM-Elements 9 in Längsrichtung zu erreichen. Diese Führung des magnetischen Flusses kann über die Ausgestaltung des inneren Kerns 3 und des statischen Kerns erreicht werden, in der Figur erkenntlich durch die Elemente zur magnetischen Flussführung 10 aus dem Kernmaterial, ggf. in Verbindung mit den ebenfalls dargestellten magnetisch isolierenden Platten 11.
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Wird die Spule 1 des Aktors bestromt, bildet sich ein magnetischer Kreis über das MSM-Element 9, den beweglichen inneren Kern 3 und die Ankerplatte 4 des Elektromagneten bzw. Aktors, wie dies in 5 schematisch angedeutet ist. Infolge des am MSM-Element 9 anliegenden magnetischen Flusses 8 dehnt sich dieses Element 9 und bewegt den inneren Kern 3 in seine vordere Endlage in Richtung der Ankerplatte 4. Durch die hohe Dynamik des MSM-Elements 9 ist diese Bewegung schneller als die der Ankerplatte 4. Auf Basis der Maxwell'schen Zugkraft wird gleichzeitig eine Grenzflächenkraft auf die Ankerplatte 4 ausgeübt. Die Ankerplatte 4 wird in Bewegungsrichtung von einem zunehmend größeren magnetischen Fluss durchflossen, wodurch sich die Maxwell'sche Zugkraft erhöht, und bewegt sich auf das äußere Gehäuse 2 zu. Da der innere Kern 3 sich beim Start der Ankerbewegung nun in seiner vorderen Endlage befindet und die Ankerplatte 4 in dieser Position quasi abholt, ist die Kraft auf die Ankerplatte 4 im Ausgangszustand höher verglichen mit einem konventionellen Haftmagneten wie dem der 1.
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Beim Schließen der Ankerplatte 4 bewegen sich nun Ankerplatte 4 und beweglicher innerer Kern 3 gemeinsam in Richtung des statischen Kerns. Im Zuge dessen verkleinert sich der Luftspalt zwischen Ankerplatte 4 und äußerem Gehäuse 2, der magnetische Fluss 8 im abnehmenden Luftspalt vergrößert sich, die Anzugskraft nimmt stark zu und wird beim vollständigen Minimieren des Luftspalts maximal. Dieser Zustand ist in 6 dargestellt. Der innere Kern 3 wird in seine hintere Endlage bewegt, wodurch das MSM-Element 9 wieder gestaucht wird. Dies bewirkt die ebenfalls gewünschte Dämpfung der Schließbewegung. Die Ankerplatte 4 liegt jetzt am äußeren Gehäuse 2 an. Der gesamte magnetische Fluss 8 bildet sich nun über den geschlossenen Kreis aus, der magnetische Gesamtwiderstand hat sein Minimum erreicht. Da das MSM-Element 9 jedoch weiterhin von einem magnetischen Fluss durchströmt wird, hat es nach wie vor das Bestreben, sich trotz der mechanischen Stauchung durch die anziehende Ankerplatte 4 zu dehnen. Nach Abschalten des Spulenstroms kommt der magnetische Fluss zum Erliegen und das MSM-Element 9 samt beweglichem inneren Kern 3 verharrt in seiner Endposition.
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Durch diese Ausgestaltung wird ebenfalls die Kraft-Weg-Kennlinie beim Schließvorgang vorteilhaft verändert, so dass insgesamt eine höhere Anzugskraft bei größerem Stellweg des Ankers erreicht wird. Das am inneren Kern verbaute Stellelement in Form eines MSM-Elements wirkt gleichzeitig als Dämpfungselement und dämpft den Elektromagneten bzw. Aktor beim Schließen, minimiert also Geräuschentstehung und Abrieb im Gerät.
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Durch den Einsatz des Stell- bzw. Dämpfungselements und die Verbindung dessen mit dem inneren Kern wird, wie oben ausgeführt, eine höhere Kraft bei größerem Stellweg des Ankers ermöglicht, da das MSM-Element bis zu 6 % Dehnung realisieren kann. Dies ermöglicht konstruktiv ganz neue Möglichkeiten zur Gestaltung der Magnetkraftkennlinie.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spule
- 2
- Äußeres Gehäuse
- 3
- Innerer Kern
- 4
- Ankerplatte
- 5
- vordere Begrenzungsebene
- 6
- Federelement
- 7
- Dämpfungselement
- 8
- Magnetischer Fluss
- 9
- MSM-Element
- 10
- Elemente zur magnetischen Flussführung
- 11
- magnetisch isolierende Platte
