DE10262354B4

DE10262354B4 - Elektromagnetische Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE10262354B4
Application number: DE10262354.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Köhle; Uwe Wagner; Henning Kaess
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2001-09-01
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2022-08-31
Also published as: DE20114466U1; DE10240774B4; EP1421591B1; ES2292826T3; US6967550B2; ATE374997T1; EP1421591A1; DE50211017D1; US20040201441A1; DE10240774A1; WO2003021612A1

Abstract

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem endseitig einen Eingriffsbereich (44) ausbildenden und bewegbaren Stellelement (42), insbesondere Kolben, und einer relativ zum Stellelement stationär vorgesehenen und zum Ausüben einer Kraft auf dieses ausgebildeten Spuleneinrichtung (34, 36), wobei das Stellelement zumindest abschnittsweise Permanentmagnetmittel (38) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem stationären Kernbereich (32) ausgebildet sind, und die Spulenvorrichtung zum Erzeugen einer einer Haltekraft der Permanentmagnetmittel entgegenwirkenden und diese vom Kernbereich lösenden Gegenkraft als Reaktion auf ein elektronisches Ansteuersignal ausgebildet ist und so ausgebildet ist, dass Feldlinien jeweiliger magnetischer Felder der Permanentmagnetmittel und der Spulenvorrichtung zwischen diesen zum Erzeugen eines magnetischen Abstoßungseffektes als Gegenkraft parallel verlaufen, und wobei das Stellelement ein den scheibenförmig ausgebildeten Permanentmagnetmitteln (38) in Richtung auf den Kernbereich (32) benachbart angeordnetes erstes Scheibenelement (48) aus magnetisch leitfähigem Material aufweist, ein zweites Scheibenelement (50) aus magnetisch leitfähigem Material den Permanentmagnetmitteln anderenends benachbart angeordnet ist, die Permanentmagnetmittel und bevorzugt mindestens ein Scheibenelement randseitig durch ein Hülsen- oder Kapselelement (52) aus nicht-magnetischem Material, bevorzugt durch einen Kunststoffring, umschlossen sind und ein zumindest die Spuleneinrichtung und den Kernbereich umschließendes, bevorzugt zylindrisches Gehäuse (30) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des zylindrischen ersten Scheibenelements (48) kleiner ist als der Durchmesser des zylindrischen zweiten Scheibenelements (50).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 4 422 060 A bekannt. Zum weiteren Stand der Technik wird verwiesen auf die EP 0 794 540 B1 .
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise in Form von Stellvorrichtungen mit Elektrohaftmagneten hinlänglich bekannt und wird für vielfältige Einsatzzwecke benutzt. Das Grundprinzip besteht darin, dass ein Kolben als Stellelement, der endseitig einen Eingriffsbereich für die vorgesehene Stellaufgabe aufweist, in einem Gehäuse geführt ist und typischerweise mittels eines im Gehäuse vorgesehenen Elektromagneten gegen die Kraft einer Rückstellfeder aus dem Gehäuse heraus bewegt werden kann.
Die 2 verdeutlicht in der seitlichen Schnittansicht eine solche bekannte Stellvorrichtung: Ein Kolbenelement 10, geführt in einem Gehäuse 12 und vorgespannt gegen die Kraft einer Rückstellfeder 14, weist einends einen Eingriffsbereich 16 auf, der aus dem Gehäuse 12 herausragt, und anderenends einen angepressten hohlzylindrischen Anker 18, der entlang einer zylindrischen Lauffläche in einem Jochelement 20 eines (mit Spule 22 im Spulengehäuse 24 realisierten) Elektromagneten um einen vorbestimmten Hub bewegbar ist, wodurch der Eingriffsbereich 16 (die 3 zeigt den zurückgezogenen bzw. eingeschobenen Betriebszustand) aus dem eingriffsseitigen Gehäuseende heraustritt.
Wie die 2 bereits erkennen lässt, ist die konstruktive Realisierung einer derartigen Vorrichtung aufwendig und, insbesondere im Hinblick auf Passungen und Toleranzen, nicht unkritisch: So gilt es bei Herstellung und Montage, Toleranzen der beteiligten Lager (etwa auch Lager 26) sowie der Laufflächen kontrolliert auszubilden, und auch der mechanische Aufbau, etwa im Hinblick auf den an die Magnetisierungskennlinie angepassten konischen Bereich 28, ist nicht unproblematisch. Da zudem die in 2 gezeigte Vorrichtung zum Stellen, d. h. Ausschieben des Eingriffsbereichs 16 aus dem Gehäuse, eine permanente Signalbeaufschlagung des Elektromagneten benötigt, entstehen weitere steuerungs- und elektrotechnische Probleme. So gilt es insbesondere unterschiedliche Schalt- und Halteströme zu kontrollieren, und generell ergibt sich das Problem eines permanenten (und je nach Anwendungsfall auch nicht unbeträchtlichen) Stromverbrauchs bei ausgefahrenem Kolben, da dieser permanent gegen die Kraft der Rückstellfeder 14 in ausgefahrener Position gehalten werden muss. Insbesondere bei energiekritischen Anwendungen, bei welchen etwa nur portable Stromversorgungsmittel zur Verfügung stehen, besteht daher auch in dieser Richtung Verbesserungsbedarf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsbildende und lediglich exemplarisch in 2 gezeigte elektromagnetische Stellvorrichtung sowohl in mechanischer als auch in elektrotechnischer Richtung zu verbessern, dabei insbesondere die Montage- und Passungseigenschaften der beweglichen Relative zu den fixen Teilen zu vereinfachen und die Stromaufnahme einer solchen Vorrichtung, insbesondere auch in einem ausgefahrenen (Stell-)Zustand, herabzusetzen.
Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise werden Permanentmagnetmittel, realisiert als scheibenförmiger Permanentmagnet entsprechend einer zylindrischen Außenform der Stellvorrichtung, eingesetzt und die Eigenschaften eines derartigen Permanentmagneten in mehrfacher Hinsicht ausgenutzt: Zum einen dient der Permanentmagnet dazu, das Stellelement in einem (eingefahrenen) Ruhezustand durch Zusammenwirken mit dem Kernbereich sicher im Gehäuse zu halten. Zum anderen bewirkt der Permanentmagnet dann, wenn die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Gegenfeldes erregt wird, einen Abstoßungseffekt und damit ein Heraustreiben des Stellelements aus einem zugehörigen Gehäuse, da erfindungsgemäß das elektromagnetisch erzeugte Gegenfeld mit der Gegenkraft abstoßend auf den Permanentmagneten wirkt und daraufhin den Vorschub des Stellelements erzeugt. Schließlich dient der Permanentmagnet noch dazu, bei deaktiviertem elektromagnetischen Gegenfeld (d. h. Abschalten des Spulenstroms) das Stellelement wieder in seine Ruhelage am Kernbereich zurückzuführen.
Im Ergebnis entsteht so auf äußerst einfache und gleichwohl wirksame Weise eine Stellvorrichtung, welche zum Verlassen der Ruheposition und Herausführen des Stellelements lediglich eine einmalige impulsförmige Strombeaufschlagung der Spuleneinrichtung benötigt und, sobald durch die beschriebene Abstoßungswirkung das Stellelement ausgefahren ist und der Permanentmagnet einen hinreichend großen Abstand zum Kernbereich aufweist, auch im stromlosen Zustand der Spulenmittel einen stabilen Ausfahrzustand sicherstellt. Ein erneutes Hineinführen der Stellmittel in den Ruhezustand kann dann entweder durch externes Betätigen des Stellelements (über den Eingriffsbereich) erfolgen, ergänzend oder alternativ durch geeignet umgepolte Ansteuerung der Spuleneinrichtung, entsprechend unterstützt durch eine ab einem vorbestimmten Abstand zum Kernbereich wirksame Anziehungskraft des Permanentmagneten.
Darüber hinaus zeigt sich, dass eine derartige Anordnung in konstruktiv relativ einfacher Weise und unter weitgehender Vermeidung kritischer Toleranzen und Passungen herstellbar ist, so dass, über die steuerungstechnischen und energetischen Vorteile hinaus, die Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch deutliche Vereinfachungen und Kostenvorteile in der Herstellung ermöglicht.
Möglich ist es, die erfindungsgemäße Stellvorrichtung mit einem als Feder ausgebildeten Kraftspeicher zu realisieren, wobei jedoch, im Gegensatz zum als gattungsbildend herangezogenen Stand der Technik, hier die Federkraft bevorzugt in Ausschubrichtung des Stellelements und damit der Magnetkraft des Permanentmagneten entgegenwirkt. Über die dadurch erreichte Stabilisierung der Stellelement- bzw. Kolbenbewegung hinaus lässt sich damit insbesondere auch ein schnelles und zuverlässiges Ausführen des Kolbens aus dem Gehäuse erreichen, sobald erfindungsgemäß mittels der Spuleneinrichtung die Haltekraft des Permanentmagneten überwunden worden ist (insoweit ist die Feder zur Funktionsfähigkeit der Vorrichtung nicht zwingend erforderlich, sondern dient vielmehr einer Verkürzung der Reaktionszeit). Je nach konstruktiver Realisierung kann dieser Kraftspeicher entweder als Druck- oder als Zugfeder realisiert sein.
Konstruktiv sind die stationären Elemente, d. h. Kernbereich und Spuleneinrichtung, ringförmig bzw. zylindrisch ausgebildet und in einem zylindrischen Gehäuse aufgenommen; bei einer solchen Realisierung sind die Permanentmagnetmittel als scheibenförmiger, an eine Wirkfläche des Kernbereichs annähernd angepasster Permanentmagnetkörper realisiert.
Als erfindungsgemäß vorteilhaft hat es sich zudem herausgestellt, zur Verbesserung des magnetischen Flusses des Permanentmagneten diesem magnetisch leitende Elemente, in Form von zwei beidseits einer Permanentmagnetscheibe benachbarten Scheiben, zuzuordnen, wobei eine bevorzugte Ausführungsform (best mode) vorsieht, dass diese Scheibenelemente durch einen Klebefilm verklebt sind, der zum Aufnehmen von mechanischen, möglicherweise schädlichen Impulsen auf das (spröde) Permanentmagnetmaterial ausgebildet ist. Zum zusätzlichen randseitigen Schutz des Permanentmagneten und der Gesamtanordnung, insbesondere auch gegen Absplittern des Magnetmaterials, ist randseitig ein Schutzring vorgesehen, welcher weiterbildungsgemäß aus einem nicht-leitendem Material, etwa Kunststoff, gebildet ist und eine beabsichtigte Einfassungs- bzw. Kapselungswirkung besitzt.
Im Ergebnis entsteht so durch die vorliegende Erfindung die Möglichkeit, eine elektromagnetische Stellvorrichtung für einen leistungsarmen Stell- bzw. Schaltbetrieb, keinesfalls beschränkt auf den zwar bevorzugten, jedoch nicht ausschließlich vorgesehenen translatorischen Stellbetrieb, mit zuverlässigen mechanischen Betriebseigenschaften und einfachem Aufbau und einfacher Justierung zu kombinieren. Die Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung scheinen nahezu unbegrenzt, insbesondere im Hinblick auf die Möglichkeit, einen bistabilen Stell- und Schaltbetrieb leistungsarm zu ermöglichen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
1: einen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2: eine Ansicht im Längsschnitt analog 1 einer gattungsbildenden Stellvorrichtung, wie aus dem Stand der Technik bekannt;
3, 4: Seitliche schematische Ansichten entsprechend einer Vergrößerung des linken unteren Bereichs der 1 zum Verdeutlichen eines Feldlinienverlaufs in einem stromlosen Zustand der Spule (4) bzw. einem bestromten Zustand (5) zum Erzeugen eines Abstoßungseffekts mit zwischen Spulenvorrichtung und Permanentmagnet jeweils parallel verlaufenden Feldlinien dieser Elemente.
Wie in 1 gezeigt, nimmt ein zylindrischer Gehäuseabschnitt 30 einen Kern 32 aus magnetisch leitendem (weichmagnetischem) Material auf, der von einer auf einem Spulenkörper 34 gewickelten Spule 36 umschlossen ist.
Innenseitig bildet der Kern 32 eine i. w. plane Flachseite zum Zusammenwirken mit einem scheibenförmigen Permanentmagneten 38 aus.
Wie zudem aus der 1 erkennbar ist, sind beidseits des scheibenförmigen Permanentmagneten (aus gängigem Magnetmaterial, z. B. Nd-Fe) Scheiben 48, 50 aus magnetisch leitendem Material (z. B. Eisen) vorgesehen, wobei das Gefüge aus erster Scheibe 48, Permanentmagnetscheibe 38 und zweiter Scheibe 50 mittels dünnem Klebefilm miteinander verbunden ist und dadurch eine gewisse impulsdämpfende Wirkung aufweist. Wie zudem in der 1 erkennbar ist, ist die Anordnung von einem Kunststoffring 52 umgeben, der insbesondere die Aufgabe hat, das Abplatzen von Material aus der (spröden) Permanentmagnetscheibe zu verhindern bzw. das Eindringen von Splittern oder Schmutzkörpern in den Lauf- bzw. Bewegungsbereich der gezeigten Stellvorrichtung zu verhindern; wie aus der 1 erkennbar ist, bilden die jeweiligen Ränder des Permanentmagneten (bzw. des diesen umfassenden Kunststoffrings) sowie der Scheiben 48, 50 eine Kolbenumfangsfläche für eine im Inneren des Gehäuseabschnitts 30 ausgebildete Lauffläche aus.
Auf die gezeigte Weise entsteht so ein zweiteiliges Gehäuse als Doppelzylinder, wobei der Gehäuseabschnitt 30 z. B. einen einstückig ansitzenden, in der Fig. nicht gezeigten Befestigungsflansch aufweist und der Hülsenabschnitt 46 als separates Gehäuseteil bevorzugt aus nicht-magnetischem Stahl gefertigt und in den Gehäuseabschnitt 30 eingepasst ist. Alternativ ist das Element 46 weichmagnetisch, leitet damit das Magnetfeld im rechten Anschlagzustand des Ankers und bewirkt so ein bistabiles Verhalten.
In Betrieb der Anordnung gemäß 1 ohne Strombeaufschlagung der Spule 36, vgl. auch 3, wird zunächst die Anordnung aus Kolben 42 mit fest ansitzenden Scheiben 48, 38, 50 durch Wirkung des Permanentmagneten 38 am Kern 32 gehalten. Erst eine Strombeaufschlagung der Spule 36 (4) erzeugt ein Magnetfeld, welches dem Feld des Permanentmagneten 38 entgegenwirkt, dieses in die Scheiben 48, 50 verdrängt bzw. lenkt und damit zu einem Abstoßen führt; die Feldlinien zwischen Spule 36 und Permanentmagnet 38 verlaufen jeweils für diese zueinander parallel. Hierdurch wird, ggf. unterstützt von der Kraft einer fakultativ versehbaren, nicht gezeigten Spiralfeder (die als solche nicht in der Lage ist, die reine Haftkraft des Permanentmagneten 38 zu überwinden) der Kolben in der Darstellung der 1 nach rechts aus dem Hülsenabschnitt 46 des Gehäuses herausgetrieben und erfüllt damit seine bestimmungsgemäße Schalt- oder Stellfunktion.
Ein Hineinfahren des Kolbens bzw. eine Umkehrung des Stellvorgangs kann dann dadurch erfolgen, dass durch Umpolen des anzulegenden Spulenstroms ein auf dem Permanentmagneten 38 bzw. die zugeordneten Scheiben 48, 50 anziehendes Feld wirkt, wodurch dann der Kolben wieder in die Ausgangslage gemäß 1 gebracht wird. Zusätzlich oder alternativ kann diese Bewegung ausgelöst werden durch eine externe Schubkraft auf den Kolben 42 in Richtung auf die in 1 gezeigte Ruheposition, soweit, bis der Permanentmagnet selbst dann das weitere Zurückführen durch seine Magnetkraft bewirken kann. Ein derartiges Bewegen kann beispielsweise durch einen mit der Stellvorrichtung zusammenwirkenden Stellpartner geschehen.
Unter Bezug auf die diskutierten Feldlinienverläufe der 3 und 4 soll im weiteren noch im Detail die vorteilhafte Geometrie der Anordnung im Hinblick auf optimierte Feldverläufe und minimierte Luftspalte erläutert werden. So verdeutlicht die 3 im unbestromten Zustand der Spule 36 (d. h. umlaufende magnetische Feldlinien des Permanentmagneten 38 durch das Gehäuse 30 bzw. den Kern 32) bzw. die Darstellung im bestromten Zustand der 4 (d. h. jeweilige Feldlinien von Spule 36 bzw. Permanentmagnet 38 verlaufen im Übergangsbereich zwischen Spulenvorrichtung und Stellelement quer und zueinander parallel), dass ein erster Luftspalt 60 zwischen der (der Spule 36) abgewandten Eisenscheibe 50 kleiner (kürzer) ist als ein zweiter Luftspalt 60 zwischen der vorderen Eisenscheibe 48 und der Gehäusewand 30. Dies optimiert, wie in den Fig. gezeigt, den Feldlinienverlauf, ebenso wie eine im randseitigen Umfangsbereich des Kernelements 32, der Flachseite derselben und damit dem Stellelement entgegengesetzt angeordnete (hier ringförmige) konische Abschrägung 64.
Ferner ist auch die konstruktive Anordnung der einzelnen Aggregate innerhalb der Stellvorrichtung nicht festgelegt; nicht nur kann eine in der 1 nicht gezeigte Spiralfeder als Druck- oder Zugfeder ausgebildet sein (oder völlig entfallen), oder aber der Spulenbereich kann, bezogen auf den Kolben, entgegengesetzt angeordnet sein. Eine Feder würde also insbesondere zur Kennlinienbeeinflussung, etwa Beschleunigung des Schaltverhaltens, dienen.
Im Ergebnis entstehen somit durch die vorliegende Erfindung vielfältige Möglichkeiten, eine mechanisch mit geringstem Aufwand und äußerst zuverlässig wirkende Stellvorrichtung mit vereinfachter elektrotechnischer Ansteuerung und insbesondere auch leistungsarmem bistabilen Betrieb zu kombinieren.

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem endseitig einen Eingriffsbereich (44) ausbildenden und bewegbaren Stellelement (42), insbesondere Kolben, und einer relativ zum Stellelement stationär vorgesehenen und zum Ausüben einer Kraft auf dieses ausgebildeten Spuleneinrichtung (34, 36), wobei das Stellelement zumindest abschnittsweise Permanentmagnetmittel (38) aufweist, die zum Zusammenwirken mit einem stationären Kernbereich (32) ausgebildet sind, und die Spulenvorrichtung zum Erzeugen einer einer Haltekraft der Permanentmagnetmittel entgegenwirkenden und diese vom Kernbereich lösenden Gegenkraft als Reaktion auf ein elektronisches Ansteuersignal ausgebildet ist und so ausgebildet ist, dass Feldlinien jeweiliger magnetischer Felder der Permanentmagnetmittel und der Spulenvorrichtung zwischen diesen zum Erzeugen eines magnetischen Abstoßungseffektes als Gegenkraft parallel verlaufen, und wobei das Stellelement ein den scheibenförmig ausgebildeten Permanentmagnetmitteln (38) in Richtung auf den Kernbereich (32) benachbart angeordnetes erstes Scheibenelement (48) aus magnetisch leitfähigem Material aufweist, ein zweites Scheibenelement (50) aus magnetisch leitfähigem Material den Permanentmagnetmitteln anderenends benachbart angeordnet ist, die Permanentmagnetmittel und bevorzugt mindestens ein Scheibenelement randseitig durch ein Hülsen- oder Kapselelement (52) aus nicht-magnetischem Material, bevorzugt durch einen Kunststoffring, umschlossen sind und ein zumindest die Spuleneinrichtung und den Kernbereich umschließendes, bevorzugt zylindrisches Gehäuse (30) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des zylindrischen ersten Scheibenelements (48) kleiner ist als der Durchmesser des zylindrischen zweiten Scheibenelements (50).
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (42) so mit einem mechanischen Kraftspeicher zusammenwirkt, dass dieser eine der Haltekraft entgegenwirkende Federkraft auf das Stellelement ausübt.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetmittel als an einem dem Eingriffsbereich (44) entgegengesetzten Endbereich des bevorzugt langgestreckt ausgebildeten Stellelements (42) angeordnete permanentmagnetische Scheibe (38) ausgebildet sind.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetische Scheibe eine Scheibenoberfläche ausbildet, die sich i. w. parallel bezogen auf eine Oberfläche des Kernbereichs (32) erstreckt.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem zweiten Scheibenelement (50) und einer umgebenden Gehäusewand (30) gebildeter und bevorzugt ringförmiger zweiter Luftspalt (60) kürzer ist als ein zwischen dem Scheibenelement (48) aus magnetisch leitfähigem Material und der Gehäusewand gebildeter erster Luftspalt (62).
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Scheibenelement mit den Permanentmagnetmitteln durch einen bevorzugt mit einer vorbestimmten Elastizität ausgebildeten Klebefilm verbunden ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das als Kolben ausgebildete Stellelement (42) in einem bevorzugt aus nichtmagnetischem Material geführten rohrförmigen Führungsabschnitt (46) eines Gehäuses der Stellvorrichtung geführt ist.
Elektromagnetische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Spulenvorrichtung, bezogen auf die Permanentmagnetmittel, gegenüberliegende Gehäusewand (46) für die Stellvorrichtung zum Realsieren einer bistabilen Stellwirkung des Stellelements aus magnetisch leitendem Material hergestellt ist.