DE10347452A1

DE10347452A1 - Aktuator, Verfahren zur Herstellung des Aktuators und Leistungsschalter, der mit dem Aktuator ausgestattet ist

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Publication number: DE10347452A1
Application number: DE10347452A
Authority: DE
Inventors: Toshie Takeuchi; Nobumoto Tohya; Mitsuru Tsukima; Takafumi Nakagawa; Yoshiharu Kobayashi; Hitoshi Gotou
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2003-10-13
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2023-10-14
Also published as: TW200418070A; JP2004165075A; KR20040042812A; CN1501414A; JP3723174B2; FR2847380A1; DE10347452B4; CN1306532C; TWI229881B; KR100556005B1; US6933827B2; FR2847380B1; US20040093718A1

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Aktuator werden Spulen (20, 30) daran gehindert, sich entlang einer y-Achsenrichtung zu verschieben, da Vorsprünge (22a, 23a, 32a, 33a) von Spulenkörpern (21, 31) sandwichartig zwischen einem ersten und einem zweiten Eisenkern (11, 12) entlang der y-Achsenrichtung festgesetzt sind. Auch werden die Spulen (20, 30) daran gehindert, sich beispielsweise aufgrund von Stößen übermäßig entlang der x- und z-Achsenrichtung zu verschieben, da sie in nutartige Kanäle (11e, 12e) eingepasst sind, die im ersten und im zweiten Eisenkern (11, 12) ausgebildet sind. Da zwei Lager (80) sandwichartig zwischen einem dritten und einem vierten Eisenkern (13, 14) entlang der x-Achsenrichtung festgesetzt und befestigt sind, können die Lager (80) problemlos mit großer Genauigkeit auf einer gemeinsamen Achse angebracht werden. Es ist deshalb möglich, eine Verschiebung der Spulen (20, 30) während des Betriebs des Aktuators zu verhindern. Gleitbewegliche Tragplatten (60) stellen ruhige Bewegungen eines Ankers (41) sicher und sorgen dadurch für eine verbesserte Zuverlässigkeit, selbst wenn der Abstand zwischen den Tragplatten (60) und dem ersten bis vierten Eisenkern (11-14) reduziert ist. Es ist auch möglich, Spulenerregerströme sowie Größe und Kosten des Aktuators zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf einen Aktuator, ein Verfahren zur Herstellung des Aktuators und einen Leistungsschalter, der den Aktuator einsetzt.

Herkömmlicherweise wurden Permanentmagnetaktuatoren in Leistungsschaltern verwendet, wie beispielsweise in der deutschen Patentveröffentlichung Nr. DE 4304921 C1 beschrieben ist. 28 ist ein Schema, das den Aufbau eines Leistungsschalters 2 zeigt, der herkömmliche Aktuatoren 1 einsetzt. Jeder dieser Aktuatoren 1 wird dazu verwendet, Kontakte 4 zu öffnen und zu schließen, welche in einem Unterdruckventil 3 des Leistungsschalters 2 einander zugewandt angeordnet sind, beispielsweise indem einer der Kontakte 4 in einer Linearbewegung angetrieben wird. Jeder Aktuator 1 umfasst ein im Allgemeinen quadratisches Joch und einen quaderförmigen Anker, der in einem Innenraum des Jochs untergebracht ist. Das Joch weist obere, untere, linke und rechte Jochabschnitte auf, die vier Seiten der quadratischen Form bilden.

Magnetpole stehen von zentralen Teilen auf den linken und rechten Jochabschnitten nach innen vor und befinden sich mit einem bestimmten Abstand voneinander an entgegengesetzten Seiten.

Der Anker ist zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen angeordnet. Beidseits des Ankers sind Platten vorgesehen, die auf- und abbewegbar von Lagern gehaltert sind. Der Anker ist zwischen diesen Platten sandwichartig eingeschlossen und daran angeschraubt. Bei dieser Anordnung ist der Anker auf- und abbewegbar mittels der Lager im Innenraum des Jochs gehaltert. Permanentmagnete sind an den einzelnen Magnetpolen so befestigt, dass zwischen dem Anker und den Permanentmagneten schmale Spalte entstehen. Der Anker wird in einer ersten Position gehalten, in der der Anker zum oberen Jochabschnitt hin durch eine Magnetkraft, die von den Permanentmagneten ausgeübt wird, angezogen wird, und in einer zweiten Position, in der der Anker zum unteren Jochabschnitt hin angezogen wird.

Um den Anker aus einer bistabilen Position zur anderen und umgekehrt zu bewegen, ist ein Paar von im Allgemeinen quadratischen Erregerspulen mit quadratischen Innenflächen im Innenraum des Jochs vorgesehen. Wenn der Anker zwischen der ersten und zweiten bistabilen Position angetrieben wird, läuft er nicht nur zwischen den beiden gegenüberliegenden Magnetpolen, sondern auch entlang der quadratischen Innenflächen der Erregerspulen. Wird eine der Erregerspulen erregt, erzeugt sie eine elektromagnetische Antriebskraft, die die Magnetkraft, die von den Permanentmagneten in der ersten bistabilen Position ausgeübt wird, unwirksam macht, und zieht den Anker zur zweiten bistabilen Position hin an, wodurch der Anker dazu gebracht wird, sich dorthin zu bewegen.

Wird die andere Erregerspule erregt, erzeugt sie eine elektromagnetische Antriebskraft, die die Magnetkraft, die von den Permanentmagneten in der zweiten bistabilen Position ausgeübt wird, unwirksam macht, und zieht den Anker zur ersten bistabilen Position hin an, wodurch der Anker dazu gebracht wird, sich dorthin zu bewegen. Wird der Anker auf diese Weise zwischen den beiden bistabilen Positionen angetrieben, bewegt sich der bewegliche Kontakt im über die Platten mit dem Anker verbundenen Unterdruckventil 3 nach oben und unten und öffnet und schließt dadurch die Kontakte 4 in jedem Unterdruckventil 3.

Beim herkömmlichen derart aufgebauten Aktuator 1 bewegt sich der Anker, gesteuert durch die durch die Erregerspulen geflossenen Ströme nach oben und unten. Obwohl es wünschenswert ist, dass sich der Anker bewegt, während gleichzeitig schmale Spalte zwischen dem Anker und den Magnetpulen und zwischen dem Anker und den Innenflächen der Erregerspulen aufrechterhalten bleiben, könnte sich der Anker beispielsweise aufgrund von Herstellungsfehlern doch gelegentlich in Gleitkontakt mit den Permanentmagneten oder Erregerspulen bewegen. Besonders wenn sich der Anker in Gleitkontakt mit den Permanentmagneten bewegt, verschleißen die Permanentmagnete und geben ferromagnetisches Pulver ab. Falls dieses ferromagnetische Pulver in den schmalen Spalten zurückbleibt, könnte es eine stoßfreie Bewegung des Ankers verhindern, was zu einer Verschlechterung der Betriebszuverlässigkeit des Aktuators 1 führt.

Falls die Erregerspulen nicht sicher am Joch befestigt sind, könnten sie darüber hinaus aufgrund von Stößen, die durch den Anker verursacht werden, oder durch die Unterbrechungskontaktwirkung des Unterdruckventils 3 eine Ortsveränderung erfahren, wodurch eine stoßfreie Bewegung des Ankers verhindert wird. Um den Anker dazu zu bringen, sich nach oben und unten zu bewegen und gleichzeitig schmale Spalte zwischen dem Anker und den Magnetpolen und zwischen dem Anker und den Innenflächen der Erregerspulen aufrechtzuerhalten, ist es wünschenswert, den Anker mit einem Paar von Lagern zu haltern, die an beiden Enden des Ankers vorgesehen sind, um ihn auf- und abbewegbar zu lagern. Dazu ist es notwendig, zwei Lager so weit wie möglich auf einer gemeinsamen Achse entlang der Bewegungsrichtung des Ankers anzuordnen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die vorstehend erwähnten Probleme aus dem Stand der Technik zu meistern, ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Aktuator für einen Stromversorgungsleistungsschalter vorzusehen, der Kompaktheit, niedrige Kosten und hohe Betriebszuverlässigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß umfasst ein Aktuator eine feststehende Eisenkerneinheit, eine Ankereinheit und eine Spule. Die feststehende Eisenkerneinheit umfasst erste bis vierte Eisenkerne, wobei der erste Eisenkern einen geschlossenen Kernabschnitt und nutartige Kanäle aufweist, welche zwischen dem geschlossenen Kernabschnitt und einem Paar von vorspringenden Abschnitten ausgebildet sind, die sich von entgegengesetzten Seiten des geschlossenen Kernabschnitts entlang einer x-Achsenrichtung eines Cartesianischen Koordinatensystems einwärts erstrecken, das durch eine x-, y- und z-Achse des geschlossenen Kernabschnitts definiert ist, wobei der zweite Kern einen geschlossenen Kernabschnitt aufweist, und der dritte und vierte Kern jeweils einen geteilten Kernabschnitt aufweist.

Die geschlossenen Kernabschnitte des ersten und zweiten Kerns sind in einem bestimmten Abstand voneinander entlang der y-Achsenrichtung einander zugewandt derart angeordnet, dass sie einander, in der y-Achsenrichtung gesehen, überlappen. Der dritte und der vierte Eisenkern sind einander zugewandt entlang der x-Achsenrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern derart angeordnet, dass die geteilten Kernabschnitte des dritten und vierten Eisenkerns zusammen einen zentralen geschlossenen Kernabschnitt darstellen, welcher die geschlossenen Kernabschnitte des ersten und zweiten Eisenkerns, entlang der y-Achsenrichtung gesehen, überlappt. Die geschlossenen Kernabschnitte des ersten und des zweiten Eisenkerns und der zentrale geschlossene Kernabschnitt, der von den geteilten Kernabschnitten des dritten und des vierten Eisenkerns gebildet wird, bilden zusammen einen dadurch umgebenen Ankeraufnahmeraum.

Die Ankereinheit umfasst einen Anker aus einem magnetischen Material und ein erstes und ein zweites Stabelement, das am Anker befestigt ist. Die Spule umfasst einen Spulenkörper und eine Wicklung, die um den Spulenkörper gewickelt ist, wobei der Spulenkörper Vorsprünge aufweist, die sich entlang der z-Achsenrichtung erstrecken.

Die Spule wird davon abgehalten, sich entlang der x- und z-Achsenrichtung zu verschieben, da sie in die nutartigen Kanäle, die im ersten Eisenkern ausgebildet sind, eingebaut ist, und die Spule wird davon abgehalten, sich entlang der y-Achsenrichtung zu verschieben, da die Vorsprünge des Spulenkörpers sandwichartig zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern von beiden Seiten der y-Achsenrichtung her untergebacht ist. Der Anker der Ankereinheit ist im Ankeraufnahmeraum untergebracht und wird entlang der z-Achsenrichtung von dem ersten und dem zweiten Stabelement beweglich gehaltert, welche in Lagern, die in der feststehenden Eisenkerneinheit vorgesehen sind, eingebaut ist.

Bei diesem erfindungsgemäßen Aktuator wird die Spule davon abgehalten, sich entlang der x- und z-Achsenrichtung zu verschieben, da sie in die nutartigen Kanäle eingebaut ist, die im ersten Eisenkern ausgebildet sind. Auch wird die Spule davon abgehalten, sich entlang der y-Achsenrichtung zu verschieben, wobei die Vorsprünge des Spulenkörpers sandwichartig entlang der y-Achsenrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern von beiden Seiten her untergebracht sind. Bei diesem Aufbau kann die Spule problemlos in der Position eingestellt und sicher befestigt werden, so dass sie sich nicht, beispielweise aufgrund von Stößen, verschiebt. Selbst wenn der Spulenkörper aufgrund von Alterung geschrumpft ist, wird er sich nicht aus seiner ursprünglichen Position über einen bestimmten Abstand hinaus verschieben. Dies macht es möglich, die Abmessungen der Innenteile des Spulenkörpers sowie seine Amperewindungszahl zu reduzieren, und eine Abnahme seiner Größe und seines Gewichts zu erzielen.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.

Die 1A und 1B sind Schnittschemata, die den Aufbau eines Aktuators nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
die 2A und 2b sind eine Vorder- und, eine Seitenansicht des ersten und zweiten Eisenkerns der 1A und 1B;
die 3A und 3b sind eine Vorder- und eine Seitenansicht des dritten und vierten Eisenkerns der 1A und 1B;
die 4A, 4B und 4C sind eine Vorder-, eine Seiten- und eine Teildraufsicht eines Spulenkörpers;
die 5A und 5B sind Schemata, die den Aufbau eines Ankers zeigen, der mit Permanentmagneten und Tragplatten bestückt ist;
die 6A und 6B sind eine Vorder- und eine Seitenansicht der Lager, die beim Aktuator nach der ersten Ausführungsform verwendet werden;
7 ist ein Schema, das die Arbeitsweise des Aktuators der ersten Ausführungsform zeigt;
die 8A und 8B sind vergrößerte Ansichten von hauptsächlichen Teilen eines Aktuators nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
die 9A und 9B sind Schnittschemata, die den Aufbau eines Aktuators nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
die 10A und 10B sind Schnittschemata, die den Aufbau eines Aktuators nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
11 ist ein teilweise in seine Einzelteile zerlegtes, perspektivisches Schema, das den Aufbau eines Aktuators nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt;
12 ist ein perspektivisches Zusammenstellungsschema des Aktuators von 11;
13 ist ein Schnittschema, das den detaillierten Aufbau des Aktuators von 11 zeigt;
14 ist ein Schnittschema entlang der Linien F-F von 13 mit entfernten Spulen;
die 15A und 15B sind einer Vorder- und eine Seitenansicht des ersten und des zweiten Eisenkerns von 11;
die 16A und 16B sind eine Vorder- und eine Seitenansicht des dritten und des vierten Eisenkerns von 11;
17 ist ein teilweise in seine Einzelteile zerlegtes, perspektivisches Schema, das den Aufbau eines Aktuators nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
18 ist ein teilweise in seine Einzelteile zerlegtes, perspektivisches Schema, das den Aufbau eines Aktuators nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
19 ist ein perspektivisches Zusammenstellungsschema des Aktuators von 18;
die 20A, 20B, 20C, 20D, 20E und 20F sind perspektivische Schemata, die Kombinationen von fünften Eisenkernen und Permanentmagneten nach einer achten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
die 21A und 21B sind eine Vorder- und eine Seitenansicht des dritten und des vierten Eisenkerns eines Aktuators nach einer neunten Ausführungsform der Erfindung;
die 22A, 22B und 22C sind eine Drauf-, eine Vorder- und eine Seitenansicht von Lagern, die beim Aktuator nach der neunten Ausführungsform verwendet werden;
23 ist eine Teilseitenansicht des dritten und des vierten Eisenkerns, die mit den Lagern der neunten Ausführungsform bestückt sind;
die 24A und 24B sind eine Vorder- und eine Seitenansicht des dritten und des vierten Eisenkerns eines Aktuators nach einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;
die 25A, 25B und 25C sind eine Drauf-, eine Vorder- und eine Seitenansicht von Lagern, die beim Aktuator der zehnten Ausführungsform verwendet werden;
26 ist eine Teilseitenansicht des dritten und des vierten Eisenkerns, der mit den Lagern der zehnten Ausführungsform bestückt ist;
die 27A und 27B sind Schnittschemata, die den Aufbau eines Aktuators nach einer elften Ausführungsform der Erfindung zeigen; und
28 ist ein Schema, das den Aufbau eines Leistungsschalters mit Aktuatoren und Unterdruckventilen zeigt, deren Kontakte von den Aktuatoren, welche mit den jeweiligen Kontakten verbunden sind, geöffnet und geschlossen werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 6A, 6B und 7 sind Schemata, die einen Aktuator nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigen. 1A ist ein Schnittschema, das den Aufbau des Aktuators zeigt, 1B ist ein Schnittschema entlang der Linien F-F von 1A, 2A ist eine Vorderansicht des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12, Fig. 2B ist eine Seitenansicht des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12, Fig. 3A ist eine Vorderansicht des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 und Fig. 3B ist eine Seitenansicht des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14. 4A ist eine Vorderansicht der Spulenkörper 21, 31, Fig. 4B ist eine Seitenansicht der Spulenkörper 21, 31 und Fig. 4C ist eine Teildraufsicht der Spulenkörper 21, 31. Die 5A und 5B sind Schemata, die den Aufbau eines Ankers 41 zeigen, der mit einem oberen und einem unteren Permanentmagneten 50 und einer oberen und einer unteren Tragplatte 60 bestückt ist, die 6A und 6B sind Schemata, die den Aufbau der Lager 80 zeigen, und 7 ist ein Schema, das die Arbeitsweise des Aktuators darstellt.
Ein Leistungsschalter ist genauso wie in 28 dargestellt aufgebaut und umfasst erfindungsgemäße Aktuatoren und Unterdruckventile, deren Kontakte durch die Aktuatoren geöffnet und geschlossen werden, deren später noch zu beschreibenden Tragwellen 45 bzw. 46 (Stabelemente) mit den jeweiligen Kontakten verbunden sind.
Mit Bezug auf die 1A und 1B umfasst eine feststehende Eisenkerneinheit 10 die zuvor erwähnten ersten bis vierten Eisenkerne 11 – 14. Hier wird in der folgenden Beschreibung der Ausführungsform ein wie in 1A gezeigtes Cartesianisches Koordinatensystem, das durch die x-, y- und z-Achsen definiert ist, verwendet, bei dem die x-Achse in der vertikalen Richtung verläuft, die y-Achse in einer Richtung senkrecht zur Papierseite von 1A und die z-Achse in der horizontalen (Links-) Richtung. Wie in 1B gezeigt ist, befinden sich der erste Eisenkern 11 und der zweite Eisenkern 12 auf entgegengesetzten Seiten in einem bestimmten Abstand voneinander in der y-Achsenrichtung. Der dritte Eisenkern 13 und der vierte Eisenkern 14 sind so zwischen dem ersten Eisenkern 11 und dem zweiten Eisenkern 12 angeordnet, dass der dritte Eisenkern 13 und der vierte Eisenkern 14 einander in der (vertikalen) x-Achsenrichtung zugewandt sind, wobei die später noch zu beschreibenden Tragwellen 45, 46 in der Mitte des dritten Eisenkerns 13 und des vierten Eisenkerns 14 angeordnet sind.
Der erste Eisenkern 11 hat einen im Allgemeinen quadratischen, geschlossenen Kernabschnitt 11a und ein Paar vorspringender Magnetpolabschnitte 11f. Der geschlossene Kernabschnitt 11a umfasst einen linken und einen rechten Jochabschnitt 11b und einen oberen und einen unteren Jochabschnitt 11d, welche zusammen eine quadratische Rahmenstruktur bilden. Die beiden vorspringenden Magnetpolabschnitte 11f, die integrale Bestandteile des oberen und unteren Jochabschnitts 11d darstellen, erstrecken sich von den einzelnen Jochabschnitten 11d einwärts und befinden sich auf entgegengesetzten Seiten in einem bestimmten Abstand voneinander in der x-Achsenrichtung von 1A. Der linke und der rechte Jochabschnitt 11b und die einzelnen, vorspringenden Magnetpolabschnitte 11f bilden zusammen nutartige Kanäle 11e, in die später noch zu beschreibende Spulen 20, 30 eingebaut sind. Genauer ausgedrückt sind zwei Paare nutartiger Kanäle 11e an entgegengesetzten Positionen (einer oberen und einer unteren) in der x-Achsenrichtung von 1A angeordnet, wobei sich die oberen beiden nutartigen Kanäle 11e, wie auch die unteren beiden nutartigen Kanäle 11e, in einem bestimmten Abstand voneinander auf entgegengesetzten Seiten in der z-Achsenrichtung befinden.
Die erste Eisenkerneinheit 11 ist eine im Allgemeinen quadratische Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 15 gebildet ist, wovon jede durch Ausstanzen eines dünnen magnetischen Stahlblechs zu einer im Allgemeinen quadratischen Fensterrahmenform hergestellt wird (siehe 2A und 2B). Die einzelnen ferromagnetischen Schichten 15 sind zur leichteren Handhabung lose miteinander verbunden. Da er dieselbe Form wie der erste Eisenkern 11 hat, ist der zweite Eisenkern 12 ebenfalls eine im Allgemeinen quadratische Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 16 gebildet ist. Wie der erste Eisenkern 11 hat auch der zweite Eisenkern 12 einen im Allgemeinen quadratischen, geschlossenen Kernabschnitt 12a, zwei Paare von nutartigen Kanälen 12e und eine Paar vorspringender Magnetpolabschnitte 12f. Der geschlossene Kernabschnitt 12a umfasst linke und rechte Jochabschnitte 12b und obere und untere Jochabschnitte 12d, die zusammen eine quadratische Rahmenstruktur bilden (siehe 2A).
Mit Bezug auf die 3A und 3B hat der dritte Eisenkern 13 einen im Allgemeinen U-förmigen Kernabschnitt (geteilten Kernabschnitt) 13a, einen vorspringenden Magnetpolabschnitt 13f und Nuten 13k, die in äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 13a ausgebildet sind. Der dritte Eisenkern 13 ist so ausgebildet, als wäre der erste Eisenkern der 2A und 2B durch eine horizontale Linie in etwa in Hälften geteilt. Beide Enden des U-förmigen Kernabschnitts 13a erstrecken sich wie ein Paar Arme entlang der x-Achsenrichtung. Mit diesen „Armen" ausgestattet, die länger sind als der zentrale, vorspringende Polabschnitt 13f, bilden der U-förmige Kernabschnitt 13a und der vorspringende Magnetpolabschnitt 13f zusammen eine allgemeine E-Form. Die Nuten 13k, die in den Endflächen der „Arme" ausgebildet sind, dienen der Befestigung von Flanschen 80b der zuvor erwähnten Lager 80, was später noch beschrieben wird. Der dritte Eisenkern 13 ist eine Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen und loses Verbinden einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 17 ausgebildet wird.
Die in den Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 13a ausgebildeten Nuten 13k sind in der x-Achsenrichtung ausgeschnitten. Diese Nuten 13k werden ausgebildet, wenn die einzelnen ferromagnetischen Schichten 17 hergestellt werden, indem ein dünnes Magnetstahlblech ausgestanzt wird. Der vierte Eisenkern 14 ist ebenfalls eine Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 18 ausgebildet wird. Wie der dritte Eisenkern 13, hat auch der vierte Eisenkern 14 einen im Allgemeinen U-förmigen Kernabschnitt 14a, einen vorspringenden Magnetpolabschnitt 14f und Nuten 14k, die in äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 14a ausgebildet sind (siehe 3A und 3B).
Die derart aufgebauten E-förmigen dritten und vierten Eisenkerne 13, 14 werden so zwischen dem ersten Eisenkern 11 und dem zweiten Eisenkern 12 angeordnet, dass der dritte und der vierte Eisenkern 13, 14 einander entlang der (vertikalen) x-Achsenrichtung von 1A zugewandt sind. Die U-förmigen Kernabschnitte 13a, 14a des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 bilden zusammen einen im Allgemeinen quadratischen, zentralen, geschlossenen Kernabschnitt. Dieser zentrale, geschlossene Kernabschnitt und die geschlossenen Kernabschnitte 11a, 12a des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 sind so angeordnet, dass sie sich, entlang der y-Achsenrichtung gesehen, überlappen. Der zentrale, geschlossene Kernabschnitt und die geschlossenen Kernabschnitte 11a, 12a bilden zusammen eine geschlossene Eisenkernbaugruppe 10a der feststehenden Eisenkerneinheit 10, und der erste und zweite Eisenkern 11, 12 und der dritte und vierte Eisenkern 13, 14 stellen zusammen die feststehende Eisenkerneinheit 10 dar. Ein Raum, der von der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a umschlossen wird, dient als Ankeraufnahmeraum 10b.
Die vorspringenden Magnetpolabschnitte 11f, 12f des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12, und die vorspringenden Magnetpolabschnitte 13f, 14f des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14, die sich in den Ankeraufnahmeraum 10b erstrecken, stellen gegenüberliegende Magnetpole 10c, 10d dar, die einander in einem bestimmten Abstand entlang der x-Achsenrichtung von 1A zugewandt sind. Der Ankeraufnahmeraum 10b hat in beiden Richtungen entlang der Y-Achse offene Enden. Wie später noch im Einzelnen beschrieben wird, sind der zuvor erwähnte Anker 41 und die Permanentmagnete 50 im Ankeraufnahmeraum 10b zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen 10c, 10d untergebracht.
Die Spule 20 umfasst den zuvor erwähnten Spulenkörper 21 und eine Wicklung 25. Der Spulenkörper 21 besitzt ein Paar im Allgemeinen quadratische Seitenplatten 22, 23 und einen zylindrischen Abschnitt 24. Zwischen den einander zugewandten Innenflächen der Seitenplatten 22, 23 verbindet der zylindrische Abschnitt 24 die beiden Seitenplatten 22, 23 miteinander. Die Seitenplatte 22 weist an ihrer Außenseite ein Paar obere und untere stufenartige Vorsprünge 22a auf, die sich in der Axialrichtung (z-Achsenrichtung) des Spulenkörpers 21 erheben. Ähnlich weist die Seitenplatte 23 auf ihrer Außenseite ein Paar obere und untere stufenartige Vorsprünge 23a auf, die sich in der Axialrichtung des Spulenkörpers 21 erheben. Der Spulenkörper 21 einschließlich der Seitenplatten 22, 23 und des zylindrischen Abschnitts 24 ist ein einstöckiges Harzformteil.
Die Spule 30 hat im Wesentlichen denselben Aufbau wie die Spule 20. Insbesondere umfasst die Spule 30 den zuvor erwähnten Spulenkörper 31 und eine Wicklung 35. Der Spulenkörper 31 besitzt ein Paar im Wesentlichen quadratische Seitenplatten 32, 33 und einen zylindrischen Abschnitt 34, der die beiden Seitenplatten 32, 33 miteinander verbindet. Die Seitenplatte 32 weist auf ihrer Außenseite ein Paar obere und untere stufenartige Vorsprünge 32a auf, und die Seitenplatte 33 weist auf ihrer Außenseite ein Paar obere und untere stufenartige Vorsprünge 33a auf. Da die Außenumfangsabschnitte der Spulenkörper 21, 31 so ausgebildet sind, dass sie in die wie in 1A gezeigten nutartigen Kanäle 11e, 12e passen, die im ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 ausgebildet sind, werden die Spulenkörper 21, 31 daran gehindert, sich entlang der x- und z-Achsenrichtung von 1A zu verschieben.
Die Spule 20 wird an einem Verschieben entlang der y-Achsenrichtung gehindert, da die Vorsprünge 22a, 23a des Spulenkörpers 21 sandwichartig zwischen den geschlossenen Kernabschnitten 11a und 12a des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 sowohl von links als auch von rechts festgehalten werden, wie in 1B dargestellt ist (in der Links-Rechtsrichtung, wie in 4B dargestellt ist). In 1B ist zu sehen, dass die Vorsprünge 22a, 23a des Spulenkörpers 21 sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 eingeschlossen sind und dadurch, wie dargestellt, an einer Bewegung in der Links-Rechtsrichtung gehindert werden (an der wie in 4B dargestellten Links-Rechtsrichtung). Ähnlich wird die Spule 30 an einer Verschiebung entlang der y-Achsenrichtung gehindert, weil die Vorsprünge 32a, 33a des Spulenkörpers 31 sandwichartig zwischen den geschlossenen Kernabschnitten 11a und 12a des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 sowohl von rechts als auch von links festgehalten werden, wie in 1B dargestellt ist (in der wie in 4B dargestellten Links-Rechtsrichtung). Da zwischen den Außenumfängen der Spulen 20, 30 und dem dritten und vierten Eisenkern 13, 14 kleine Spalte bestehen, kommen der dritte und vierte Eisenkern 13, 14 den Spulen 20, 30 nicht ins Gehege, wenn sie durch den ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 in Position gebracht werden.
Eine Ankereinheit 40 umfasst den zuvor erwähnten Anker 41 und Tragwellen 45, 46. Die Tragwellen 45, 46 entsprechen dem ersten und zweiten Stabelement der beigefügten Ansprüche der Erfindung. Der Anker 41 besitzt eine Durchgangsöffnung 41a, die durch ihn hindurch entlang der z-Achsenrichtung der 1A und 1B ausgebildet ist, und einen Innengewindeabschnitt 41b, der in einem mittleren Abschnitt der Durchgangsöffnung 41a ausgebildet ist. Der Anker 41 besteht aus Magnetstahl, der zu einem quaderförmigen Block ausgebildet ist.
Die aus nicht magnetischem Edelstahl bestehende Tragwelle 45 besitzt einen Außengewindeabschnitt 45a, an dem ein Außengewinde ausgebildet ist, und einen gewindelosen Schaftabschnitt 45b mit einer glatten Oberfläche. Der Außengewindeabschnitt 45a der Tragwelle 45 ist in den Innengewindeabschnitt 41 eingeschraubt und darin befestigt, und der Schaftabschnitt 45b wird von der im Anker 41 ausgebildeten Durchgangsöffnung 41a gehaltert.
Ebenfalls aus nicht magnetischem Edelstahl bestehend, weist die Tragwelle 46 einen Außengewindeabschnitt 46 auf, an dem ein Außengewinde ausgebildet ist, und einen gewindelosen Schaftabschnitt 46b mit einer glatten Oberfläche. Der Außengewindeabschnitt 46a der Tragwelle 46 ist in den Innengewindeabschnitt 41b eingeschraubt und darin befestigt, und der Schaftabschnitt 46b wird von der im Anker 41 ausgebildeten Durchgangsöffnung 41a gehaltert.
Die Permanentmagnete 50 bestehen beispielsweise aus Ferrit, das zu rechteckigen, dicken Flächenkörpern ausgebildet ist. Die oberen und unteren Tragplatten 60 weisen jeweils einen gekrümmten Abschnitt 60a auf, der, wie in den 5A und 5B dargestellt, senkrecht zur Horizontalen ist. Aus Magnetmaterial bestehend, ist jede Tragplatte 60 in der Seitenansicht zu einer L-Form ausgebildet. Die Tragplatten 60 sind durch Befestigungsschrauben 68 derart an Seitenflächen des Ankers 41 befestigt, dass schmale Spalte zwischen den Tragplatten 60 und den gegenüberliegenden Magnetpolen 10c, 10d entstehen. Die Permanentmagnete 50 werden durch ihre eigenen Magnetkräfte zu den oberen und unteren Flächen des Ankers 41 hin angezogen und daran durch die Tragplatten 60 befestigt, die die Außenflächen der Permanentmagnete 50 bedecken und gegen diese drücken. Die Breite jedes Permanentmagnets 50 (in der Links-Rechtsrichtung von 1B gemessen) ist in etwa gleich der Breite des Ankers 41, und die Länge jedes Permanentmagnets 50 (in der Links-Rechtsrichtung von 1A gemessen) ist kleiner als die Länge des Ankers 41. Die so aufgebauten oberen und unteren Permanentmagnete 50 werden an den in den 1A und 1B gezeigten Positionen am Anker 41 befestigt.
Mit Bezug auf die 6A und 6B besitzen die Lager 80 jeweils einen quaderförmigen Abschnitt (Hauptabschnitt) 80a und die zuvor erwähnten Flansche 80b, welche flache, vorspringende Abschnitte sind, die sich, wie in den 6A und 6B dargestellt, vom quaderförmigen Abschnitt 80a nach oben und unten erstrecken. Jedes Lager besitzt in seinem zentralen Teil eine Durchgangsöffnung 80c mit einem kreisförmigen Querschnitt, durch welche die Tragwelle 45 bzw. 46 eingeführt wird. Jedes Lager ist ein einstöckiges Bauteil aus einem auf Kupferlegierung basierenden gesinterten Metall. Die Abmessung des quaderförmigen Abschnitts 80a jedes Lagers 80 ist gleich der Abmessung des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 ausgelegt, gemessen entlang der y-Achsenrichtung von 1A.
Da beide äußersten Enden des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 mit den Hauptabschnitten 80a der einzelnen Lager 80 in Berührung kommen, die einander mit einem bestimmten Abstand entlang der (vertikalen) x-Achsenrichtung zugewandt sind, werden die Lager 80 in der x-Achsenrichtung in festen Positionen eingestellt. Weil die Nuten 13k, 14k, die im dritten und vierten Eisenkern 13, 14 ausgebildet sind, sich von der Ober- und Unterseite her in die oberen und unteren Flansche 80b der Lager 80 einpassen, werden die Lager 80 daran gehindert, sich entlang der z-Achsenrichtung zu verschieben. Weil die Lager 80 sandwichartig zwischen dem ersten Eisenkern 11 und dem zweiten Eisenkern 12 untergebracht sind, werden sie auch in der y-Achsenrichtung eingestellt. Es ist jedoch festzuhalten, dass kleine Spalte zwischen den Nuten 13k, 14k und den Flanschen 80b der einzelnen Lager 80 in der x-Achsenrichtung bestehen, und die Lager 80 sicher zwischen beiden äußersten Enden des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 an festen Positionen in der x-Achsenrichtung gehalten werden.
Entlang der y-Achsenrichtung der 1A und 1B gesehen, überlappen sich der U-förmigen Kernabschnitt 13a des dritten Eisenkerns 13 und die geschlossenen Kernabschnitte 11a, 12a des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 fast vollständig, und der U-förmige Kernabschnitt 14a des vierten Eisenkerns 14 und die geschlossenen Kernabschnitte 11a, 12a des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 überlappen einander fast vollständig. Auch in der y-Achsenrichtung gesehen überlappen sich der vorspringende Magnetpolabschnitt 13f des dritten Eisenkerns 13 und die vorspringenden Magnetpolabschnitte 11f, 12f des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 fast vollständig, und der vorspringende Magnetpolabschnitt 14f des vierten Eisenkerns 14 und die vorspringenden Magnetpolabschnitte 11f, 12f des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 überlappen einander fast vollständig.
Die quaderförmigen Abschnitte 80a der einzelnen Lager 80 haltern die Ankereinheit 40 durch ihre Tragwellen 45, 46 derart, dass die Ankereinheit 40 sich entlang der z-Achsenrichtung vorwärts und rückwärts bewegen kann. Idealerweise bestehen schmale Spalte zwischen den Tragplatten 60 und den gegenüberliegenden Magnetpolen 10c, 10d und zwischen den Tragplatten 60 und den Spulen 20, 30 in der x-Achsenrichtung. Aufgrund des Vorhandenseins der Tragplatten 60 ist jedoch die Gleitreibung, welche entstehen würde, wenn die gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d oder Innenabschnitte der Spulenkörper 21, 31 der Spulen 20, 30 entlang der Tragplatten 60 gleiten würden, ausreichend gering, so dass sich aus ihrem Gleitvorgang keine negative Auswirkung ergibt.
Der erste und zweite Eisenkern 11, 12 sind, zusammen mit den dazwischen angeordneten dritten und vierten Eisenkernen 13, 14, mit sechs Schrauben 19 befestigt, die durch sechs kleine Öffnungen in der in den 1A und 1B gezeigten Eisenkerneinheit 10 eingeführt sind, um eine einzelne Struktur zu bilden. Mit dieser Anordnung setzen der erste und zweite Eisenkern 11, 12 den oberen und unteren Vorsprung 22a, 23a des Spulenkörpers 21 und den oberen und unteren Vorsprung 32a, 33a des Spulenkörpers 31 aus der linken und rechten Richtung, wie in 4B gezeigt ist, zwischen einander fest und halten dabei die Spulen 20, 30 an festen Positionen in der y-Achsenrichtung. Die Spulenkörper 21, 31 sind sicher in den im ersten und zweiten Eisenkern ausgebildeten nutartigen Kanälen 11e, 12e fast unbeweglich in der (vertikalen) x-Achsenrichtung eingepasst. Die Spulenkörper 21, 31 sind so eingepasst, dass sie sich nicht über extrem kleine bestimmte Abstände hinaus weder in der x- noch der z-Achsenrichtung bewegen, selbst dann nicht, wenn die in der x- und z-Achsenrichtung zwischen dem ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 und den Vorsprüngen 22a, 23a, 32a, 3a der Spulenkörper 21, 31 wirkende Gleitreibung beispielsweise aufgrund von Alterung der Spulenkörper 21, 31 verloren gegangen ist.
Die Spulenkörper 21, 31 werden auch durch das Vorhandensein der Vorsprünge 22a, 23a, 32a, 33a an einer Verschiebung entlang der y-Achsenrichtung gehindert, selbst wenn der erste und zweite Eisenkern 11, 12 die Vorsprünge 22a, 23a, 32a, 33a der Spulenkörper 21, 31 beispielsweise aufgrund von Alterung der Spulenkörper 21, 31 nicht mehr mit großer Kraft zwischen sich festsetzen. Deshalb werden die Spulenkörper 21, 31 an genauen Positionen in der x-, y- und z-Achsenrichtung gehalten und bewegen sich aus ihren ursprünglichen Positionen selbst dann nicht über bestimmte Beträge hinaus, wenn sie mit der Zeit spröde geworden sind.
Nachstehend wird beschrieben, wie der Aktuator der Ausführungsform zusammengebaut wird. Als Erstes werden, wobei die Tragwellen 45, 46 in die Durchgangsöffnung 41a im Anker 40 eingeschraubt sind, die Spule 20 und ein Lager 80 über die Tragwelle 45 geschoben, und die Spule 30 und das andere Lager 80 werden über die Tragwelle 46 geschoben. Zu diesem Zeitpunkt sind die Permanentmagnete 50 noch nicht am Anker 41 befestigt. Als Nächstes werden die Spulen 20, 30 in annähernde Positionen in der in den 1A und 1B gezeigten z-Achsenrichtung gebracht, und die Flansche 80b der einzelnen Lager 80 werden in Position gebracht, indem sie in die Nuten 13k im dritten Eisenkern 13 und in die Nuten 14k im vierten Eisenkern 14 eingepasst werden.
Danach werden die Außenumfangsabschnitte der Spulenkörper 21, 32 in die entsprechenden nutartigen Kanäle 11e, 12e eingepasst, und der obere und untere Vorsprung 22a, 23a des Spulenkörpers 21 und der obere und untere Vorsprung 32a, 33a des Spulenkörpers 31 werden aus der rechten und linken Richtung, wie in 1B dargestellt, sandwichartig durch den ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 festgesetzt, um die Spulenkörper 21, 31 in Position zu bringen. Dabei wird der Ankeraufnahmeraum 10b durch die umgebenden ersten bis vierten Eisenkerne 11 – 14 gebildet und der Anker 41 in diesem Ankeraufnahmeraum 10b untergebracht. Da die Permanentmagnete 50 noch nicht am Anker 41 befestigt sind, wird der Anker 41 beim Zusammenbau weder vom Magnetpol 10c noch vom Magnetpol 10d angezogen. Dies macht es möglich, die Lager 80 mit Leichtigkeit und Präzision an den richtigen Positionen anzubringen.
Dann werden die oberen und unteren Permanentmagnete 50, die einzeln mit den L-förmigen Tragplatten 60 bestückt sind, die miteinander magnetisiert wurden, in Spalte zwischen dem Anker 41 und den oberen und unteren vorspringenden Magnetpolabschnitten 11f, 12f, 13f, 14f beispielsweise von der linken Seite her, wie in 1B dargestellt ist, eingeführt. Nach dem Einführen werden die Permanentmagnete 50 durch ihre eigenen Magnetkräfte zur oberen bzw. unteren Fläche des Ankers 41 hin angezogen. Die gekrümmten Abschnitte 60a der einzelnen Tragplatten 60 werden durch die Befestigungsschrauben 68 an den Seitenflächen des Ankers 41 befestigt, wodurch die Permanentmagnete 50 und die Tragplatten 60 in feste Positionen gebracht werden (siehe 5A und 5B).
Gemäß des vorgenannten Zusammenbauverfahrens können die Spulen 20, 30, die Lager 80 und der Anker 41, in welche die Tragwellen 45, 46 geschraubt sind, mit Leichtigkeit und hoher Präzision in die richtigen Positionen gebracht werden, wodurch eine ruhige Bewegung des Ankers 41 und hohe Zuverlässigkeit des Aktuators sichergestellt wird.
Nachstehend wird die Arbeitsweise des Aktuators dieser Ausführungsform beschrieben.
Wenn die Spulen 20, 30 nicht erregt sind, läuft ein Magnetfluss, der von den Permanentmagneten 50 gebildet wird, durch Magnetkreise, wie in 7 durch schwarze Pfeile A gezeigt ist. Unter dieser Bedingung bewegt sich der Anker 41 nach links, wie in 7 dargestellt ist, und wird mit einer linken Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a in Kontakt gehalten, welche aus den geschlossenen Kernabschnitten 11a, 12a des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 und den U-förmigen Kernabschnitten 13a, 14a des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 besteht.
Wird die Spule 30 erregt, erzeugt sie einen Magnetfluss, der durch wie von den Andeutungspfeilen B in 7 gezeigte Magnetkreise fließt. Dieser Magnetfluss macht den vom Magnetfluss 50 gebildeten Magnetfluss unwirksam, welcher den Anker 41 an der linken Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a hält, und erzeugt eine Anziehungskraft, die zwischen dem Anker 41 und einer rechten Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a wirkt. Diese Anziehungskraft bringt den Anker 41 dazu, sich um eine bestimmte Entfernung nach rechts zu bewegen, so dass der Anker 41 mit der rechten Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a in Kontakt kommt. Selbst wenn die Erregung der Spule 30 zu diesem Zeitpunkt abgenommen hat, wird der Anker 41 immer noch mit der rechten Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a durch den von den Permanentmagneten 50 gebildeten Magnetfluss in Kontakt gehalten.
Wird die Spule 20 als Nächstes erregt, bewegt sich der Anker 41 nach demselben Funktionsprinzip wie oben erläutert nach links und kehrt in die in 7 gezeigte linke Position zurück. In dieser Ausführungsform können die beiden Spulen 20, 30 gleichzeitig erregt werden und dabei die Richtungen der Erregerströme ordnungsgemäß steuern, so dass der Anker 41 sich mit einer größeren Geschwindigkeit bewegt. Eine Schaltvorrichtung wie ein Unterdruckschalter eines Stromversorgungsleistungsschalters, der mit der Tragwelle (dem Stabelement) 45 bzw. 46 des Ankers 41 verbunden ist, wird in der zuvor erwähnten Weise angetrieben.
Wie aus der vorstehenden Erläuterung der vorliegenden Ausführungsform zu erkennen ist, werden die Spulenkörper 21, 31 daran gehindert, sich entlang der y-Achsenrichtung zu verschieben, da ihre Vorsprünge 22a, 23a, 32a, 33a sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 festgesetzt sind, und die Spulenkörper 21, 31 sind nur durch die äußerst kleinen bestimmten Abstände in der x- und z-Achsenrichtung beweglich ausgelegt, selbst wenn die Gleitreibung (Festhaltekraft), die vom ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 ausgeübt wird, verloren geht, wenn die Spulenkörper 21, 31 in die nutartigen Kanäle 11e, 12e eingepasst sind, die im ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 ausgebildet sind. Nach diesem Aufbau ist es möglich, die Spulen 20, 30 mit Leichtigkeit an den richtigen Positionen anzubringen, da die Spulenkörper 21, 31 an genauen Positionen in der x-, y- und z-Achsenrichtung gehalten werden und die Spulen 20, 30 sich deshalb nicht über bestimmte Abstände hinaus durch Stöße verschieben, die durch Bewegungen des Ankers verursacht werden oder selbst wenn die Spulenkörper 21, 31, die aus einem Isoliermaterial bestehen, mit der Zeit spröde geworden sind. Dies macht es möglich, die Abmessungen der Innenabschnitte der Spulenkörper 21, 31 sowie die Amperewindungszahl der Spulen 20, 30 zu reduzieren und eine Abnahme ihrer Größe und ihres Gewichts zu erzielen.
Wie bereits festgestellt, ist die Gleitreibung, die auftreten würde, wenn die gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d oder die Innenabschnitte der Spulenkörper 21, 31 der Spulen 20, 30 entlang den Tragplatten glitten, aufgrund des Vorhandenseins der Tragplatten 60 ausreichend gering, so dass keine negativen Auswirkungen auftreten würden. Die Abmessungen der Innenabschnitte der Spulenkörper 21, 32 können auch aus diesem Gesichtspunkt verkleinert werden. Darüber hinaus würde, selbst wenn die gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d mehr oder weniger entlang der Tragplatten 60 als Ergebnis einer Verkleinerung der Spalte zwischen ihnen glitten, dieser Gleitvorgang nicht die Gefahr mit sich bringen, ihren normalen Betrieb zu stören. Es ist deshalb möglich, die notwendige Amperewicklungszahl der Spulen 20, 30 noch weiter zu reduzieren und eine weitere Abnahme ihrer Größe und ihres Gewichts zu erzielen.
Da die Tragwellen 45, 46 aus einem nicht magnetischen Material bestehen, haben Magnetpfade, die von den Spulen 20, 30 durch die Tragwellen 45, 46 gebildet werden, eine viel größere Reluktanz als die umgebenden Teile der feststehenden Eisenkerneinheit 10. Es ist deshalb möglich, Leckströme, die in die Tragwellen 45, 46 entweichen, und die Amperewicklungszahlen zum Erregen der Spulen 20, 30 zu reduzieren.
Die Außengewindeabschnitte 45a, 46a der Tragwellen 45, 46 werden in den Innengewindeabschnitt des Ankers 41 geschraubt, und die gewindelosen Schaftabschnitte 45b, 46b der Tragwellen 45, 46 werden von der im Anker 41 ausgebildeten Durchgangsöffnung 41a gehaltert. Dieser Aufbau trägt dazu bei, das Auftreten einer übermäßigen Belastung am Fuße der Gewindegänge zu verhindern, die um die Außengewindeabschnitte 45a, 46a herum ausgeschnitten sind, selbst wenn die Tragwellen 45, 46 in rechten Winkeln zu ihrer Axialrichtung mit einer Kraft beaufschlagt werden.
Die Schaftabschnitte 45b, 46b der Tragwellen 45, 46 widerstehen einer ca. 10 Mal größeren Scherbelastung als die Außengewindeabschnitte 45a, 46a, welche in den Anker 41 eingeschraubt sind. Dies trägt dazu bei, ein Abscheren der Tragwellen 45, 46 aufgrund von Durchbiegung zu verhindern, wenn sie einem starken Aufprall ausgesetzt sind. Die Tragwellen 45, 46 sind von beiden Enden des Ankers 41 her in diesen entlang seiner Axialrichtung eingeschraubt. Dies trägt dazu bei, ein Losewerden der Außengewindeabschnitte 45a, 46a, die in den Innengewindeabschnitt 41b des Ankers 41 eingeschraubt sind, zu verhindern, wenn die Tragwellen 45, 46 einem gegenseitigen Druck als Ergebnis ihrer Bewegung entlang der Axialrichtung ausgesetzt sind. Alle diese Merkmale dienen der Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit des Aktuators.
Die oberen und unteren Flansche 80b der Lager 80 sind in die Nuten 13k, 14k, die in den U-förmigen Kernabschnitten 13a, 14a des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 ausgebildet sind, eingepasst, und die Lager 80 sind sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 von oben und unten her entlang der y-Achsenrichtung von 1B festgesetzt. Da die Lager 80 an richtigen Positionen in der x-, y- und z-Achsenrichtung angebracht sind, können die beiden Lager 80 mit hoher Genauigkeit auf einer gemeinsamen Achse positioniert werden. Dies macht es möglich, Spalte zwischen dem Anker 41 und den gegenüberliegenden Magnetpolen 10c, 10d und zwischen dem Anker 41 und den Innenabschnitten der Spulenkörper 21, 31, sowie die Erregerstromkapazität der Spulen 20, 30 zu reduzieren.
Obwohl es möglich wäre, Löcher in einen geschichteten Kern zur Anbringung von Lagern zu bohren, ist es notwendig, den Kern maschinell zu bearbeiten, indem eine Bohrlehre verwendet wird, um solche Befestigungslöcher mit großer Genauigkeit herzustellen und gleichzeitig Sorge zu tragen, eine Verformung des Kerns zu verhindern. Im Gegensatz dazu werden der dritte und vierten Eisenkern 13, 14 dadurch ausgebildet, dass die durch hochpräzises Blechstanzen hergestellten ferromagnetischen Schichten 17, 18 übereinander angeordnet werden, so dass es möglich ist, die Lager 80 mit großer Genauigkeit anzubringen, wie vorstehend in der vorliegenden Ausführungsform festgestellt wurde.
Nach dem zuvor erwähnten Aufbau der Ausführungsform sind die Lager 80 sandwichartig zwischen dem dritten und vierten Eisenkern 13, 14, welche eine obere und untere Hälfte des zentralen geschlossenen Kernabschnitts darstellen, festgesetzt. Bei diesem Aufbau kann die Ankereinheit 40 mit Leichtigkeit in die feststehende Eisenkerneinheit 10 eingebaut werden, nachdem die Tragwellen 45, 46 in den Anker 41 eingeschraubt und die Lager 80 an den einzelnen Tragwellen 45, 46 angebracht wurden. Obwohl in der Ausführungsform die beiden separaten Tragwellen 45, 46 verwendet werden, kann ein einzelner Rundstab in den Anker 41 entlang seiner Axialrichtung eingebaut und beispielsweise durch Anschweißen daran befestigt werden.
In dieser Ausführungsform sind die Spulen 20, 30 in die nutartigen Kanäle 11e, 12e, die im ersten und zweiten Eisenkern 11, 12 ausgebildet sind, so eingepasst, dass die Spulen 20, 30 daran gehindert werden, sich entlang der x- und z-Achsenrichtung zu verschieben. Alternativ können auch nur die nutartigen Kanäle 11e, die im ersten Eisenkern 11 ausgebildet sind, verwendet werden, um die Spulen 20, 30 einzupassen und an feststehenden Positionen zu halten. In dieser Alternative können die nutartigen Kanäle 12e, die im zweiten Eisenkern 12 zwischen den vorspringenden Magnetpolabschnitten 12f und den rechten und linken Jochabschnitten 12b ausgebildet sind, eine niedrige Maßgenauigkeit haben. Diese Alternative macht es möglich, die Herstellungskosten zu senken.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 8A und 8B sind vergrößerte Ansichten von hauptsächlichen Teilen eines Aktuators nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der gleiche oder denjenigen in den 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 6A, 6B und 7 gezeigten ähnliche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Mit Bezug auf die 8A und 8B haben obere und untere Tragplatten 62 aus magnetischem Material jeweils einen gekrümmten Abschnitt 62a und ein Paar gerundeter Abschnitte 62b, die sich nach rechts und links erstrecken. Wie die gekrümmten Abschnitte 60a der 5A und 5B sind die gekrümmten Abschnitte 62a mit Befestigungsschrauben 68 am Anker 41 befestigt.
Die gerundeten Abschnitte 62b sind dadurch ausgebildet, dass beide Enden jeder Tragplatte 62, welche sich nach rechts und links in der Bewegungsrichtung (Axialrichtung) des Ankers 41 erstrecken, derart nach innen gebogen sind, dass die gerundeten Abschnitte 62b jeden Permanentmagneten 50 sowohl von links als auch rechts entlang der z-Achsenrichtung festhalten. In dieser Ausführungsform ist die Länge jedes Permanentmagneten 50 kürzer ausgelegt als die Länge des Ankers 41, so dass die gerundeten Abschnitte 62b innerhalb der Länge des Ankers 41 gehalten werden und die geschlossene Eisenkernbaugruppe 10a nicht stören, wenn der in seiner Axialrichtung angetriebene Anker 41 in Kontakt mit der linken oder rechten Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a kommt. Die Permanentmagnete 50 sind am Anker 41 mit den Tragplatten 62 befestigt, deren gekrümmte Abschnitte 62a mit den Befestigungsschrauben 68 an den Seitenflächen des Ankers 41 befestigt sind. Am Anker 41 befestigt, können die Tragplatten 62, die die Außenflächen der Permanentmagnete 50 bedecken und dagegen drücken, entlang der gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d oder der Innenabschnitte der Spulenkörper 21, 31 der Spulen 20, 30 gleiten, insbesondere auf einer Unterseite von 1A.
Selbst wenn die Tragplatten 62 entlang der gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d oder der Innenabschnitte der Spulenkörper 21, 31 der Spulen 20, 30 gleiten, stellen die Tragplatten 62 eine stoßfreie Gleitbewegung sicher, weil ihre Gleitreibung so gering ist und die gerundeten Abschnitte 62b als Führungsflächen dienen. Das Vorsehen dieser Tragplatten 62 macht es möglich, die Spalte zwischen den Tragplatten 62 und den gegenüberliegenden Magnetpolen 10c, 10d signifikant zu reduzieren und die Anziehungskräfte wirksam auf eine verbesserte Weise auszunutzen, die auf den Anker 41 ausgeübt werden. Dies macht es möglich, die notwendigen Amperewicklungszahlen und die Größe der Spulen 20, 30 zu reduzieren und eine Abnahme der Größe und Kosten des Aktuators und eine Verbesserung seiner Zuverlässigkeit zu erzielen.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 9A und 9B sind Schnittschemata, die den Aufbau eines Aktuators nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigen, bei der gleiche Elemente oder Elemente, die denjenigen der vorstehenden Ausführungsformen ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Während die Permanentmagnete 50 in der ersten und zweiten Ausführungsform von der oberen und unteren Fläche des Ankers 41 vorspringen, verwendet der Aktuator der dritten Ausführungsform einen Anker 42, der zu einem quaderförmigen Block mit einer größeren Dicke als der Anker 41 der 1A und 1B, gemessen in der (vertikalen) x-Achsenrichtung, ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform sind Permanentmagnete 51 in rechteckige Ausnehmungen eingebettet, die in der oberen und unteren Fläche des Ankers 42 ausgebildet sind, und obere und untere Tragplatten 63 aus einem magnetischen Material sind derart an Außenflächen der Permanentmagnete 51 angebracht, dass die einzelnen Tragplatten mit der oberen und unteren Fläche des Ankers 42 bündig werden, wie in 9A dargestellt ist.
Der Anker 42 dieser Ausführungsform weist eine Durchgangsöffnung 42a auf, die durch ihn hindurch entlang der z-Achsenrichtung der 9A und 9B ausgebildet ist, und einen Innengewindeabschnitt 42b, der in einem Mittelabschnitt der Durchgangsöffnung 42a ausgebildet ist. Die Durchgangsöffnung 42a und der Innengewindeabschnitt 42b sind ähnlich der Durchgangsöffnung 41a und dem Innengewindeabschnitt 41b, die im Anker 41 der in den 1A und 1B gezeigten ersten Ausführungsform ausgebildet sind. Jede Tragplatte 63 ist in der Seitenansicht zu einer L-Form ausgebildet, und ihr gekrümmter Abschnitt ist wie die Tragplatten 60 der 5A und 5B mit Befestigungsschrauben 68 am Anker 42 befestigt. Die Gleitreibung, die auftreten würde, wenn die Tragplatten 63 entlang der gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d oder den Innenabschnitten der Spulenkörper 21, 31 der Spulen 20, 30 glitten, ist auch in dieser Ausführungsform ausreichend gering.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 10A und 10B sind Schnittschemata, die den Aufbau eines Aktuators nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen, bei der gleiche Elemente oder Elemente, die denjenigen der vorstehenden Ausführungsformen ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Mit Bezug auf die 10A und 10B verwendet der Aktuator der vierten Ausführungsform einen Anker 43, der zu einem quaderförmigen Block mit einer größeren Dicke als der Anker 41 der 1A und 1B, gemessen in der (vertikalen) x-Achsenrichtung, ausgebildet ist. Der Anker 43 dieser Ausführungsform weist eine Durchgangsöffnung 43a auf, die durch ihn hindurch entlang der z-Achsenrichtung der 10A und 10B ausgebildet ist, und einen Innengewindeabschnitt 43b, der in einem Mittelabschnitt 43a der Durchgangsöffnung 43a ausgebildet ist. Die Durchgangsöffnung 43a und der Innengewindeabschnitt 43b sind ähnlich der Durchgangsöffnung 41a und dem Innengewindeabschnitt 41b, die im Anker 41 der in den 1A und 1B gezeigten ersten Ausführungsform ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen 10c, 10d größer ausgelegt als der in den 1A und 1B gezeigte, und ortsfeste Permanentmagnete 52 und Tragplatten 64 sind zusammen an Flächen der Magnetpole 10c, 10d befestigt, die dem Anker 43 zugewandt sind.
Da sie dieselbe Form haben wie die in den 8A und 8B gezeigten Tragplatten 62, bedecken die Tragplatten 64 Flächen der ortsfesten Permanentmagnete 52, die dem Anker 43 zugewandt sind. Diese Tragplatten 64 besitzen auch gerundete Abschnitte, ähnlich den in den 8A und 8B gezeigten gerundeten Abschnitten 62b, aber die gerundeten Abschnitte der Tragplatten 64 sind in Richtungen gebogen, die vom Anker 43 weg führen, um jeden ortsfesten Permanentmagneten 52 sowohl von links als auch von rechts entlang der Axialrichtung (z-Achsenrichtung) des Ankers 43 festzuhalten. Die in den 10A und 10B dargestellte obere Tragplatte 64 ist am ersten Eisenkern 11 befestigt und hält den oberen ortsfesten Permanentmagneten 52 sicher am Magnetpol 10c fest, während die untere Tragplatte 64 am ersten Eisenkern 11 befestigt ist und den unteren Permanentmagneten 52 sicher am Magnetpol 10d festhält. Jede Tragplatte 64 ist in der Seitenansicht zu einer L-Form ausgebildet, und ihr gekrümmter Abschnitt ist, wie die Tragplatten 60 der 5A und 5B, mit Befestigungsschrauben 68 am ersten Eisenkern 11 befestigt.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 11, 12, 13, 14, 15A, 15B, 16A und 16B sind Schemata, die einen Aktuator nach einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigen, bei der gleiche Elemente oder Elemente, die denjenigen der vorstehenden Ausführungsformen ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind. 11 ist ein teilweise in seine Einzelteile zerlegtes perspektivisches Schema, das den Aufbau des Aktuators zeigt, 12 ist ein perspektivisches Zusammenstellungsschema des Aktuators, 13 ist ein Schnittschema, das den detaillierten Aufbau des Aktuators zeigt, 14 ist ein Schnittschema entlang der Linien F-F von 13 mit entfernten Spulen 20, 30, die 15A und 158 sind eine Vorder- und eine Seitenansicht eines ersten und zweiten Eisenkerns 111, 112, die 16A und 16B sind eine Vorder- und eine Seitenansicht eines dritten und vierten Eisenkerns 113, 114.
Mit Bezug auf 11 umfasst eine feststehende Eisenkerneinheit 110 die zuvor erwähnten ersten bis vierten Eisenkerne 111 – 114. Der erste Eisenkern 111 und der zweite Eisenkern 112 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten in einem bestimmten Abstand voneinander in der y-Achsenrichtung. Der dritte Eisenkern 113 und der vierte Eisenkern 114 sind zwischen dem ersten Eisenkern 111 und dem zweiten Eisenkern 112 derart angeordnet, dass der dritte Eisenkern 113 und der vierte Eisenkern 114 einander entlang der in 13 gezeigten (vertikalen) x-Achsenrichtung zugewandt sind, wobei Tragwellen 45, 46 in der Mitte des dritten Eisenkerns 113 und des vierten Eisenkerns 114 angeordnet sind (siehe auch 14). Der erste und zweite Eisenkern 111, 112 dieser Ausführungsform sind nicht mit Magnetpolen ausgestattet, die den in den 1A und 1B gezeigten vorspringenden Magnetpolabschnitten 11f, 12f entsprechen.
Der erste Eisenkern 111 hat einen im Allgemeinen quadratischen, geschlossenen Kernabschnitt 111a und ein Paar vorspringender Abschnitte 111f. Der geschlossene Kernabschnitt 111a umfasst linke und rechte Jochabschnitte 111b und obere und untere Jochabschnitte 111d, welche zusammen eine quadratische Rahmenstruktur bilden. Die beiden vorspringenden Abschnitte 111f, die integrale Bestandteile der oberen und unteren Jochabschnitte 111d darstellen, erstrecken sich von den einzelnen Jochabschnitten 111d entlang der x-Achsenrichtung von 13 nach innen. Die linken und rechten Jochabschnitte 111b und die einzelnen vorspringenden Abschnitte 111f bilden zusammen nutartige Kanäle 111e, in welche die zuvor erwähnten Spulen 20, 30 eingepasst sind.
Die erste Eisenkerneinheit 111 ist eine im Allgemeinen quadratische Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 115 gebildet ist, wovon jede durch Ausstanzen eines dünnen Magnetstahlblechs zu einer im Allgemeinen quadratischen Fensterrahmenform hergestellt wird (siehe 15A und 15B). Die einzelnen ferromagnetischen Schichten 115 sind zur leichteren Handhabung lose miteinander verbunden. Da er dieselbe Form wie der erste Eisenkern 111 hat, ist der zweite Eisenkern 112 ebenfalls eine im Allgemeinen quadratische Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 116 gebildet ist. Wie der erste Eisenkern 111 hat auch der zweite Eisenkern 112 einen im Allgemeinen quadratischen, geschlossenen Kernabschnitt 112a, zwei Paare von nutartigen Kanälen 112e und ein Paar vorspringender Abschnitte 112f. Der geschlossene Kernabschnitt 112a umfasst linke und rechte Jochabschnitte 112b und obere und untere Jochabschnitte 112d, die zusammen eine quadratische Rahmenstruktur bilden (siehe 15A).
Mit Bezug auf die 16A und 16B hat der dritte Eisenkern 113 einen im Allgemeinen U-förmigen Kernabschnitt 113a und Nuten 113k, die in äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 113a ausgebildet sind. Der dritte Eisenkern 113 ist so ausgebildet, als wäre der erste Eisenkern 111 der 15A und 15B durch eine horizontale Linie in etwa in Hälften geteilt. Der dritte Eisenkern 113 ist nicht mit irgendeinem vorspringenden Abschnitt in der Mitte seiner Länge oder irgendwelchen nutartigen Kanälen ausgestattet, in welche die Spulen 20, 30 eingepasst sind. Beide Enden des U-förmigen Kernabschnitts 113a erstrecken sich wie ein Paar Arme entlang der x-Achsenrichtung. Die Nuten 113k zum Befestigen von Flanschen 80b der Lager 80 sind in den Endflächen der „Arme" ausgebildet.
Der dritte Eisenkern 113 ist eine Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen und losem Verbinden einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 117 ausgebildet wird. Die in den Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 113a ausgebildeten Nuten 113k sind in der x-Achsenrichtung ausgeschnitten. Diese Nuten 113k werden ausgebildet, wenn die einzelnen ferromagnetischen Schichten 117 hergestellt werden, indem ein dünnes Magnetstahlblech ausgestanzt wird. Der vierte Eisenkern 114 ist ebenfalls eine Blechbaugruppe, die durch übereinander Anordnen einer bestimmten Anzahl an ferromagnetischen Schichten 118 ausgebildet wird. Wie der dritte Eisenkern 113, hat auch der vierte Eisenkern 114 einen im Allgemeinen U-förmigen Kernabschnitt 114a und Nuten 114k, die in äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 114a ausgebildet sind (siehe 16A und 16B).
Die so aufgebauten, U-förmigen, dritten und vierten Eisenkerne 113, 114 sind derart zwischen dem ersten Eisenkern 111 und dem zweiten Eisenkern 112 angeordnet, dass der dritte und vierte Eisenkern 113, 114 einander entlang der in den 13 und 14 gezeigten X-Achsenrichtung zugewandt sind. Die U-förmigen Kernabschnitte 113a, 114a des dritten und vierten Eisenkerns 113, 114 bilden zusammen einen im Allgemeinen quadratischen, zentralen, geschlossen Kernabschnitt. Dieser zentrale, geschlossene Kernabschnitt und die geschlossenen Kernabschnitte 111a, 112a des ersten und zweiten Eisenkerns 111, 112 sind so angeordnet, dass sie einander, entlang der y-Achsenrichtung gesehen, überlappen. Der zentrale, geschlossene Kernabschnitt und die geschlossenen Kernabschnitte 111a, 112a bilden zusammen eine geschlossenen Eisenkernbaugruppe 110a der feststehenden Eisenkerneinheit 110.
Der erste und zweite Eisenkern 111, 112 und der dritte und vierte Eisenkern 113, 114 stellen zusammen die feststehende Eisenkerneinheit 110 dar. Ein Raum, der von der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 110a umschlossen wird, dient als Ankeraufnahmeraum 110b. Der Ankeraufnahmeraum 110b ist quaderförmig und hat in beiden Richtungen entlang der y-Achse offene Enden. Ein Anker 41 ist in diesem Ankeraufnahmeraum 110b untergebracht.
Mit Bezug auf 11 ist der Aktuator der fünften Ausführungsform mit einem Paar fünfter Eisenkerne 221 ausgestattet, die jeweils aus einem vierkantförmigen magnetischen Material ausgebildet sind. Ein quaderförmiger Permanentmagnet 231 ist mit (nicht gezeigten) Schrauben an jedem der fünften Eisenkerne 221 in der Mitte seiner Länge befestigt. Die fünften Eisenkerne 221, an denen die Permanentmagnete 231 befestigt sind, sind in einer zu den geschlossenen Kernabschnitten 111a, 112a des ersten und zweiten Eisenkerns 111, 112 vertikalen Position von beiden Seiten entlang der y-Achsenrichtung eingebaut, wie in 11 durch Pfeile C gezeigt ist. Die fünften Eisenkerne 221 werden dann mit (nicht gezeigten) Schrauben an den geschlossenen Kernabschnitten 111a, 112a befestigt. Die fünften Eisenkerne 221 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der feststehenden Eisenkerneinheit 110, derart, dass sie dem Anker 41 über bestimmte Spalte hinweg in der y-Achsenrichtung zugewandt sind. Ansonsten ist der Aufbau des Aktuators der fünften Ausführungsform identisch mit demjenigen der in den
1A, 18, 2A, 28, 3A, 3B, 4A, 4B, 4C, 5A, 5B, 6A, 6B und 7 gezeigten ersten Ausführungsform. Somit sind gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung unterbleibt hier.
Werden die Spulen 20, 30 erregt, bilden sich erste Magnetkreise, die von einem linken, zentralen Teil der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 110a der feststehenden Eisenkerneinheit 110 über den Anker 41 entlang seiner Axialrichtung zu einem rechten, zentralen Teil der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 110a verlaufen, wie in 13 dargestellt ist. Mit dem Vorhandensein der fünften Eisenkerne 221 und der Permanentmagnete 231 bilden sich auch zweite Magnetkreise, die beispielsweise auf der Seite des ersten Eisenkerns 111 von den linken und rechten Jochabschnitten 111b des geschlossenen Kernabschnitts 111a des ersten Eisenkerns 111 über den fünften Eisenkern 221, den Permanentmagnet 231 und den Anker 41 verlaufen und zu den linken und rechten Jochabschnitten 111b des geschlossenen Kernabschnitts 111a zurückkehren.
Die Permanentmagnete 231 dienen dazu, den Anker 41 in zwei bistabilen Positionen zu halten, das heißt, der ersten Position, bei der ein linkes Ende des Ankers 41 mit dem linken Jochabschnitt 111b in Kontakt ist, und der zweiten Position, bei der ein rechtes Ende des Ankers 41 mit dem rechten Jochabschnitt 111b in Kontakt ist. Es ist möglich, einen Magnetfluss herzustellen, der durch die ersten Magnetkreise läuft, um einen Magnetfluss unwirksam zu machen, der von den Permanentmagneten 231 erzeugt wird, und den Anker 41 dazu zu bringen, sich zwischen der ersten und zweiten Position vor- und zurückzubewegen, indem die Richtungen von Erregerströmen auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform festgestellt, ordnungsgemäß gesteuert werden. Obwohl die fünften Eisenkerne 221 und die Permanentmagnete 231 in dieser Ausführungsform auf beiden Seiten der feststehenden Eisenkerneinheit 110 vorgesehen sind, kann jeweils ein fünfter Eisenkern 221 und eine Seitenplatte 23 nur auf dem ersten bzw. zweiten Eisenkern 111, 112 vorgesehen werden. Zusätzlich kann die Ausführungsform so modifiziert werden, dass der Aktuator nur mit einer der Spulen 20, 30 ausgestattet ist.
Der vorstehend erwähnte Aktuator der fünften Ausführungsform weist nicht nur die ersten Magnetkreise auf, sondern auch die zweiten Magnetkreise, die von den geschlossenen Kernabschnitten 111a, 112a des ersten und zweiten Eisenkerns 111, 112, den fünften Eisenkernen 221, den Permanentmagneten 23i und dem Anker 41 erzeugt werden. Dies macht es möglich, Wirbelströme zu reduzieren, die bei Erregung der Spulen 20, 30 in den Magnetkreisen fließen, was zu einer Verbesserung bei der Steuerbarkeit des Aktuators und einer Reduktion bei der Kapazität einer Spulenerregungsstromversorgung führt.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
17 ist ein teilweise in seine Einzelteile zerlegtes perspektivisches Schema, das den Aufbau eines Aktuators nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der gleiche Elemente oder Elemente, die denjenigen der vorstehenden Ausführungsformen ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Mit Bezug auf 17 ist der Aktuator mit einem fünften Eisenkern 222 aus einem magnetischen Material und mit einem quadratischen Querschnitt versehen. Dieser fünfte Eisenkern 222 ist mit drei „Armen" im Allgemeinen E-förmig, und ein flacher Permanentmagnet 232 ist fest am Mittelarm des fünften Eisenkerns 222 angebracht. Wie der in 11 gezeigte fünfte Eisenkern 221, ist der fünfte Eisenkern 222, an dem der Permanentmagnet 232 befestigt ist, am geschlossenen Kernabschnitt 111a des ersten Eisenkerns 111 auf einer Seite derart angebracht, dass ein bestimmter Spalt zwischen dem Permanentmagnet 232 und dem Anker 41 entsteht, welcher nicht dargestellt ist.
SIEBTE AUSFÜHRUNGSFORM
18 ist ein teilweise in seine Einzelteile zerlegtes perspektivisches Schema, und 19 ist ein perspektivisches Zusammenstellungsschema, das den Aufbau eines Aktuators nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der gleiche Elemente oder Elemente, die denjenigen der vorstehenden Ausführungsformen ähnlich sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Mit Bezug auf 18 ist der Aktuator mit einem Paar fünfter Eisenkerne 223 aus magnetischem Material und mit einem quadratischen Querschnitt versehen. Jeder fünfte Eisenkern 223 ist mit drei „Armen" im Wesentlichen E-förmig, und ein flacher Permanentmagnet 233 ist am Mittelarm des fünften Eisenkerns mit einer Schraube befestigt, die nicht dargestellt ist. Die beiden fünften Eisenkerne 223, an denen die Permanentmagnete 233 befestigt sind, sind an den geschlossenen Kernabschnitten 111a, 112a des ersten und zweiten Eisenkerns 111, 112 von beiden Seiten her derart angebracht, dass die fünften Eisenkerne 223 parallel zur Bewegungsrichtung (Axialrichtung) des nicht dargestellten Ankers 41, wie in 18 gezeigt, ausgerichtet sind und bestimmte Spalte zwischen dem Anker 41 und den Permanentmagneten 233 entstehen.
ACHTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 20A, 20B, 20C, 20D, 20E und 20F sind perspektivische Schemata, die Kombinationen von fünften Eisenkernen 214 – 246 und Permanentmagneten 251 – 256 nach einer achten Ausführungsform der Erfindung zeigen. Die Kombinationen der in diesen Figuren gezeigten fünften Eisenkerne 241 – 246 und der Permanentmagnete 251 – 256 kann anstelle der fünften Eisenkerne und der Permanentmagnete der in den 11, 17 und 18 gezeigten fünften bis siebten Ausführungsform verwendet werden. Während die fünften Eisenkerne der fünften bis siebten Ausführungsform die linken und rechten Jochabschnitte 111b, 112b bzw. die oberen und unteren Jochabschnitte 111d, 112d überbrücken, kann die Kombination des in 20E gezeigten fünften Eisenkerns 245 und der Permanentmagnet 255 den Anker 41 und einen der rechten und linken Jochabschnitte 111b, 112b bzw. der oberen und unteren Jochabschnittl 111d, 112d magnetisch überbrücken.
NEUNTEAUSFÜHRUNGSFORM
Die 21A, 21B, 22A, 22B und 22C und 23 zeigen hauptsächliche Bauteile eines Aktuators nach einer neunten Ausführungsform der Erfindung, worin die 21A und 21B eine Vorder- und eine Seitenansicht eines dritten und vierten Eisenkerns 513, 514 sind, die 22A, 22B und 22C eine Drauf-, eine Vorder- und eine Seitenansicht von Lagern 580 sind, und 23 eine Teilseitenansicht des dritten und vierten Eisenkerns 513, 514 ist, die mit den Lagern 580 bestückt sind.
Wie in den 21A und 21B dargestellt, hat der dritte Eisenkern 513 einen U-förmigen Kernabschnitt 513a, Nuten 513k und zweite Nuten 513m. Da sie denselben Aufbau haben wie die Nuten 113k der 16A und 16B, erstrecken sich die Nuten 513k mit einer bestimmten Breite in der Richtung senkrecht zur Papierebene der 21A und 21B. An äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 513a des dritten Eisenkerns 513 ausgebildet, verlaufen die zweiten Nuten 513m durch beide Enden des dritten Eisenkerns 513 in der Links-Rechtsrichtung, wie in 21A dargestellt, mit einer bestimmten Breite ungefähr in der Mitte der Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 517. Die Nut 513k und die zweite Nut 513m schneiden einander in rechten Winkeln.
Ähnlich hat auch der vierte Eisenkern 514 einen U-förmigen Kernabschnitt 514a, Nuten 514k und zweite Nuten 514m. Da sie denselben Aufbau haben wie die Nuten 114k der 16A und 16B, erstrecken sich die Nuten 514k mit einer bestimmten Breite in der Richtung senkrecht zur Papierebene der 21A und 21B. An äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 514a des vierten Eisenkerns 514 ausgebildet, verlaufen die zweiten Nuten 514m durch beide Enden des vierten Eisenkerns 514 in der Links-Rechtsrichtung, wie in 21A dargestellt, mit einer bestimmten Breite ungefähr in der Mitte der Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 518. Die Nut 514k und die zweite Nut 514m schneiden einander in rechten Winkeln.
Mit Bezug auf die 22A, 228 und 22C weisen die Lager 580 jeweils einen quaderförmigen Abschnitt (Hauptabschnitt) 580a, obere und untere Flansche 580b, eine Durchgangsöffnung 580e und ein Paar obere und untere Vorsprünge 580d auf. Die Flansche 580b sind flachförmige vorspringende Abschnitte, die sich, wie in den 22A, 22B und 22C dargestellt, von einem Ende des quaderförmigen Abschnitts 580a nach oben und unten erstrecken. Die Breite des quaderförmigen Abschnitts 580a (in der Links-Rechtsrichtung von 23 gemessen) ist etwas kleiner ausgelegt als die Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 517, 518 des dritten und vierten Eisenkerns 513, 514. Die Vorsprünge 580d sind flache vorspringende Abschnitte, die sich, wie in 22C dargestellt, um dieselbe Höhe wie die Flansche 580b nach oben und unten erstrecken. Der Flansch 580b und der Vorsprung 580d bilden zusammen von oben gesehen einen im Allgemeinen T-förmigen Vorsprung (22A). Sofern nicht bisher schon erwähnt, weist der Aktuator der achten Ausführungsform im Wesentlichen denselben Aufbau auf wie der in den 13 und 14 gezeigte Aktuator der fünften Ausführungsform.
Die so aufgebauten dritten und vierten Eisenkerne 513, 514 schließen die quaderförmigen Abschnitte 580a der Lager 580, wie in 23 gezeigt, von oben und unten her sandwichartig ein. Genauer ausgedrückt, sind die Flansche 580b des Lagers 580 in die Nuten 513k, 514k des dritten und vierten Eisenkerns 513, 514 und die Vorsprünge 580d der Lager 580 sind in die zweiten Nuten 513m, 514m des dritten und vierten Eisenkerns 513, 514 eingepasst, um die Lager 580 daran zu hindern, sich entlang der y- und z-Achsenrichtung zu verschieben. Zwischen den Nuten 313k, 514k und den Flanschen 580b der Lager 580, und zwischen den zweiten Nuten 513m, 514m und den Vorsprüngen 580d der Lager 580 sind kleine Spalte in der x-Achsenrichtung (der vertikalen Richtung, wie in 23 dargestellt) freigelassen, so dass die Hauptabschnitte 580a der Lager 580 sicher zwischen den Endflächen des dritten Eisenkerns 513 und des vierten Eisenkerns 514 festgehalten werden.
Die Breite jedes Lagers 580 (in der y-Achsenrichtung gemessen) ist, wie in 23 gezeigt, etwas kleiner ausgelegt als die Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 517, 518 des dritten und vierten Eisenkerns 513, 514. Deshalb werden, wenn der dritte und vierte Eisenkern 513, 514 sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 (in 23 nicht gezeigt, siehe die 13 und 14) von der linken und rechten Richtung her, wie in 23 gezeigt, eingeschlossen werden, die Lager 580 vom dritten und vierten Eisenkern 513, 514 und nicht vom ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 an feststehenden Positionen gehalten, wobei Spalte zwischen den Lagern 580 und dem ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 frei bleiben.
In der vorstehend beschriebenen neunten Ausführungsform weisen der dritte und vierte Eisenkern 513, 514 die zweiten Nuten 513m, 514m auf, in welche die Vorsprünge 580d der Lager 580 eingepasst sind. Bei diesem Aufbau können die Lager 580 mit Leichtigkeit durch den dritten und vierten Eisenkern 513, 514 und nicht durch den ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 daran gehindert werden, sich in der Links-Rechtsrichtung von 23 oder in der y-Achsenrichtung von 13 zu verschieben.
ZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die 24A, 24B, 25A, 25B und 25C und 26 zeigen hauptsächliche Bauteile eines Aktuators nach einer zehnten Ausführungsform der Erfindung, worin die 24A und 24B eine Vorder- und eine Seitenansicht eines dritten und vierten Eisenkerns 613, 614 sind, die 25A, 25B und 25C eine Drauf-, eine Vorder- und eine Seitenansicht von Lagern 680, und Fig. ist eine Teilseitenansicht des dritten und vierten Eisenkerns 613, 614 ist, die mit dem Lager 680 bestückt sind.
Wie in den 24A und 24B dargestellt, hat der dritte Eisenkern 613 einen U-förmigen Kernabschnitt 613a und zweite Nuten 613m. Die zweiten Nuten 613m haben denselben Aufbau wie die zweiten Nuten 513m der 21A und 21B. An äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 613a des dritten Eisenkerns 613 ausgebildet, verlaufen die zweiten Nuten 613m durch beide Enden des dritten Eisenkerns 613 in der Links-Rechtsrichtung, wie in 24A dargestellt, mit einer bestimmten Breite ungefähr in der Mitte der Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 617.
Ähnlich hat auch der vierte Eisenkern 614 einen U-förmigen Kernabschnitt 614a und zweite Nuten 614m. Die zweiten Nuten 614m haben denselben Aufbau wie die zweiten Nuten 514m der 21A und 21B. An äußersten Endflächen des U-förmigen Kernabschnitts 614a des vierten Eisenkerns 614 ausgebildet, verlaufen die zweiten Nuten 614m durch beide Enden des vierten Eisenkerns 614 in der Links-Rechtsrichtung, wie in 24A dargestellt, mit einer bestimmten Breite ungefähr in der Mitte der Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 618.
Mit Bezug auf die 25A, 25B und 25C weisen die Lager 680 jeweils einen quaderförmigen Abschnitt (Hauptabschnitt) 680a, obere und untere Flansche 680b, eine Durchgangsöffnung 680c und ein Paar obere und untere Vorsprünge 680d auf. Die Flansche 680b sind flachförmige vorspringende Abschnitte, die sich, wie in den 25A, 25B und 25C dargestellt, von einem Ende des quaderförmigen Abschnitts 680a nach oben und unten erstrecken. Die Breite des quaderförmigen Abschnitts 680a (in der Links-Rechtsrichtung von 26 gemessen) ist etwas kleiner ausgelegt als die Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 617, 618 des dritten und vierten Eisenkerns 613, 614. Die Vorsprünge 680d sind flache vorspringende Abschnitte, die sich, wie in 25C dargestellt, um dieselbe Höhe wie die Flansche 680b nach oben und unten erstrecken. Der Flansch 680b und der Vorsprung 680d bilden zusammen von oben gesehen einen im Allgemeinen T-förmigen Vorsprung (25A). Sofern nicht bisher schon erwähnt, weist der Aktuator der zehnten Ausführungsform im Wesentlichen denselben Aufbau auf wie der in den 13 und 14 gezeigte Aktuator der fünften Ausführungsform.
Die so aufgebauten dritten und vierten Eisenkerne 613, 614 schließen die quaderförmigen Abschnitte 680a der Lager 680, wie in 26 gezeigt, von oben und unten her sandwichartig ein. Genauer ausgedrückt, sind die Vorsprünge 680d des Lagers 680 in die zweiten Nuten 613m, 614m des dritten und vierten Eisenkerns 613, 614 eingepasst, um die Lager 680 daran zu hindern, sich entlang der y-Achsenrichtung der Lager 680 (der Links-Rechtsrichtung, wie in 26 dargestellt) zu verschieben. Die Lager 680 sind an feststehenden Positionen in der z-Achsenrichtung angebracht, da ihre Flansche 680b mit dem dritten und vierten Eisenkern 613, 614 in Kontakt gehalten werden. Die Lager 680 sind am dritten und vierten Eisenkern 613, 614 befestigt oder daran angeschraubt, um die Lager 680 daran zu hindern, sich entlang der z-Achsenrichtung der Lager 680 zu verschieben. Zwischen den zweiten Nuten 613m, 614m und den Vorsprüngen 680d der Lager 680 sind in der x-Achsenrichtung (der vertikalen Richtung, wie in 26 dargestellt), kleine Spalte freigelassen, so dass die Hauptabschnitte 680a der Lager 680 sicher zwischen den Endflächen des dritten Eisenkerns 613 und des vierten Eisenkerns 614 gehalten werden.
Die Breite jedes Lagers 680 (in der y-Achsenrichtung gemessen) ist, wie in 26 gezeigt, etwas kleiner ausgelegt als die Schichtungsdicke der ferromagnetischen Schichten 617, 618 des dritten und vierten Eisenkerns 613, 614. Deshalb werden, wenn der dritte und vierte Eisenkern 613, 614 sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 (in 26 nicht gezeigt, siehe die 13 und 14) von der linken und rechten Richtung her, wie in 26 gezeigt, eingeschlossen werden, die Lager 680 vom dritten und vierten Eisenkern 613, 614 und nicht vom ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 an feststehenden Positionen gehalten, wobei Spalte zwischen den Lagern 680 und dem ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 frei bleiben.
In der vorstehend beschriebenen zehnten Ausführungsform weist der dritte und vierte Eisenkern 613, 614 die zweiten Nuten 613m, 614m auf, in welche die Vorsprünge 680d der Lager 680 eingepasst sind. Bei diesem Aufbau können die Lager 680 mit Leichtigkeit durch den dritten und vierten Eisenkern 613, 614 und nicht durch den ersten und zweiten Eisenkern 111, 112 daran gehindert werden, sich in der Links-Rechtsrichtung von 26 oder in der y-Achsenrichtung von 13 zu verschieben.
ELFTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die Aktuatoren der vorstehenden Ausführungsformen sind mit Spulen und Permanentmagneten versehen, wobei der Anker durch die Permanentmagnete in der ersten oder zweiten Position gehalten und durch Erregung der Spulen dazu gebracht wird, sich aus der ersten Position in die zweite zu bewegen, und umgekehrt.
Zum Beispiel bewegt sich bei einer Linearpumpe, einem Resonanzaktuator und einem Schwingungserzeuger ein Aktuator einfach zwischen zwei Positionen vor und zurück und wird nicht an einer dieser Positionen ortsfest gehalten, so dass keine Permanentmagnete vorgesehen werden müssen.
Wird der Aktuator wie in den vorstehenden Ausführungsformen in einem Leistungsschalter verwendet, muss er in zwei bistabilen Positionen gehalten werden. Obwohl die vorstehenden Ausführungsformen den Permanentmagneten dazu verwenden, um den Aktuator in den bistabilen Positionen zu halten, ist es möglich, den Aktuator durch Ströme, die durch die Erregerspulen fließen, zu halten, ohne dass dazu die Permanentmagnete notwendig wären.
Nachfolgend wird ein Aktuator nach einer elften Ausführungsform beschrieben, der mit keinerlei Permanentmagneten ausgestattet ist.
Fig. 27A ist ein Schnittschema, das den Aufbau des Aktuators der elften Ausführungsform zeigt, und 27B ist ein Schnittschema entlang der Linien F-F von 27A, bei dem Elemente, die gleich mit oder ähnlich denjenigen der vorstehenden Ausführungsformen sind, mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Im Vergleich zum Aufbau der in den 1A und 1B gezeigten ersten Ausführungsform ist der Aktuator der elften Ausführungsform mit keinen Permanentmagneten 50 ausgestattet. Beim Aktuator dieser Ausführungsform erstrecken sich gegenüberliegende Magnetpole 10c, 10d, die durch vorspringende Magnetpolabschnitte 11f, 12f des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 gebildet sind, und vorspringende Magnetpolabschnitte 13f, 14f des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 zu einem Anker 41 hin, als würden sie den Raum der Permanentmagneten 50 der ersten Ausführungsform einnehmen.
Bei diesem Aufbau sind die gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d direkt dem Anker 41 über schmale Spalte zugewandt, die dazwischen entstanden sind. Flächen des Ankers 41, die den Magnetpolen 10c, 10d zugewandt sind, sind beispielsweise durch Galvanisieren geglättet, so dass keine ernsthaften Probleme auftreten, wenn der Anker 41 entlang der gegenüberliegenden Magnetpole 10c, 10d oder entlang von Innenabschnitten der Spulenkörper 21, 31 der Spulen 20, 30 gleitet.
Nachstehend wird mit erneutem Bezug auf 7 die Arbeitsweise des Aktuators dieser Ausführungsform beschrieben.
Wenn die Spule 20 erregt ist, erzeugt sie einen Magnetfluss, der durch die Magnetkreise läuft, wie in 7 durch schwarze Pfeile A gezeigt ist. In der Folge bewegt sich der Anker 41 nach links, wie in 7 gezeigt ist, und wird mit einer linken Innenfläche einer geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a in Kontakt gehalten, welche aus den geschlossenen Kernabschnitten 11a, 12a des ersten und zweiten Eisenkerns 11, 12 und U-förmigen Kernabschnitten 13a, 14a des dritten und vierten Eisenkerns 13, 14 gebildet ist.
Wird ein Erregerstrom, der durch die Spule 20 fließt, unterbrochen und die Spule 30 erregt, erzeugt die Spule 30 einen Magnetfluss, der wie in 7 durch die Andeutungspfeile B gezeigt, durch Magnetkreise läuft. Dieser Magnetfluss erzeugt einen Anziehungskraft, die sich zwischen dem Anker 41 und einer rechten Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a auswirkt. Diese Anziehungskraft lässt sich den Anker 41 um einen bestimmten Abstand nach rechts bewegen, so dass der Anker 41 mit einer rechten Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a in Kontakt kommt. Wird ein Erregerstrom, der durch die Spule 30 fließt, aufrechterhalten, wird der Anker 41 in derselben Position mit der rechten Innenfläche der geschlossenen Eisenkernbaugruppe 10a in Kontakt gehalten.
Wird der durch die Spule 30 fließende Strom unterbrochen und als Nächstes die Spule 20 erregt, bewegt sich der Anker 41 nach demselben Funktionsprinzip wie zuvor beschrieben nach links und kehrt in die in 7 gezeigte linke Position zurück. Eine Schaltvorrichtung wie ein Unterdruckschalter eines Stromversorgungsleistungsschalters, der mit der Tragwelle (dem Stabelement) 45 bzw. 46 des Ankers 41 verbunden ist, wird in der zuvor erwähnten Weise angetrieben.
Der Anker dieser Ausführungsform, falls er beispielsweise als Antriebskraft für einen Schwingungserzeuger verwendet wird, stellt keine Kraft bereit, um den Anker 41 an beiden Enden des Hubs des Ankers 41 zu halten, und deshalb wird der Aktuator nur zum Bewegen des Ankers 41 verwendet.
Obwohl der Aktuator der elften Ausführungsform, der nicht mit Permanentmagneten versehen ist, als eine Variante des Aktuators der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, lässt sich die Anordnung der elften Ausführungsform auch auf die anderen vorstehenden Ausführungsformen anwenden.
Obwohl die ersten bis vierten Eisenkerne 111 – 114 und die fünften Eisenkerne 221 in den vorstehenden Ausführungsformen durch Übereinanderschichten von Magnetstahlblechen ausgebildet sind, können diese Eisenkerne auch als massive Blöcke aus magnetischem Material ausgebildet werden, um dieselben vorteilhaften Effekte wie bislang beschrieben zu erzielen. Obwohl die Anker 41 – 43 der vorstehenden Ausführungsformen quaderförmige Blöcke aus Magnetstahl sind, können sie auch dadurch ausgebildet werden, dass Magnetstahlbleche übereinandergeschichtet werden. Darüber hinaus können die Permanentmagnete 50 und die Tragplatten 60 der ersten Ausführungsform der 1A und 1B beispielsweise zusammen an den Anker 41 geschraubt oder geklebt sein. In dieser Alternative müssen die Tragplatten in der Seitenansicht nicht L-förmig sein, sondern können in einer einfachen, flachen Form ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Aktuatoren der fünften bis siebten Ausführungsform mit Tragplatten versehen sein, um Flächen der Permanentmagnete 231, 232, 233 abzudecken, so dass kein Problem entstehen würde, wenn der Anker 41 entlang der Permanentmagnete 231, 232, 233 gleitet.
Obwohl die ersten bis vierten Eisenkerne der vorangehenden Ausführungsformen eine, entlang der y-Achsenrichtung von 1A gesehen, im Allgemeinen rechteckige äußere Form haben, können Änderungen an der Form der Eisenkerne vorgenommen werden, ohne dass dabei von der weiter vorn erwähnten Aufgabe der Erfindung abgewichen würde. Darüber hinaus müssen die fünften Eisenkerne nicht unbedingt gerade oder E-förmig sein, sondern können auch zu anderen Formen abgeändert werden.
Obwohl die Erfindung soweit mit Bezug auf die Aktuatoren zum Öffnen und Schließen von Kontakten eines Stromversorgungsleistungsschalters beschrieben wurde, können die Aktuatoren der Erfindung darüber hinaus auch in verschiedenen Anwendungen wie zum Öffnen und Schließen von Ventilen in einer Flüssigkeits- oder Gasförderleitung oder zum Öffnen und Schließen von Türen zum Einsatz kommen.
BEZUGSZEICHENLISTE

Claims

Aktuator, der Folgendes umfasst: eine feststehende Eisenkerneinheit (10) mit ersten bis vierten Eisenkernen (11 – 14), wobei der erste Eisenkern (11) einen geschlossenen Kernabschnitt (11a) und nutartige Kanäle (11e) aufweist, welche zwischen dem geschlossenen Kernabschnitt (11a) und einem Paar von vorspringenden Abschnitten (11f) gebildet sind, die sich von gegenüberliegenden Seiten des geschlossenen Kernabschnitts (11a) entlang einer x-Achsenrichtung eines Cartesianischen Koordinatensystems, das durch x-, y- und z-Achsen des geschlossenen Kernabschnitts (11a) definiert ist, nach innen erstrecken, wobei der zweite Eisenkern (12) einen geschlossenen Kernabschnitt (12a) aufweist, und der dritte und vierte Eisenkern (13, 14) jeweils einen geteilten Kernabschnitt (13a, 14a) aufweist, in welchem die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) einander zugewandt in einem bestimmten Abstand voneinander entlang der y-Achsenrichtung derart angeordnet sind, dass sie einander in der y-Achsenrichtung gesehen, überlappen, der dritte und vierte Eisenkern (13, 14) einander zugewandt entlang der x-Achsenrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern (11, 12) derart angeordnet sind, dass die geteilten Kernabschnitte (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) zusammen einen zentralen, geschlossenen Kernabschnitt (10a) darstellen, welcher die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) entlang der y-Achsenrichtung überlappt, und die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) und der zentrale, geschlossene Kernabschnitt (10a), der durch die geteilten Kernabschnitte (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) gebildet werden, zusammen einen dadurch umgebenen Ankeraufnahmeraum (10b) bilden; eine Ankereinheit (40) mit einem Anker (41) aus Magnetmaterial, und erste und zweite, am Anker (41) befestigte Stabelemente (45, 46); und eine Spule (20) mit einem Spulenkörper (21), und eine um den Spulenkörper (21) gewickelte Wicklung, wobei der Spulenkörper (21) Vorsprünge (22a) aufweist, die sich entlang der z-Achsenrichtung erstrecken; bei dem die Spule (20) an einer Verschiebung entlang der x- und z-Achsenrichtung gehindert wird, da sie in die im ersten Eisenkern (11) ausgebildeten nutartigen Kanäle (11e) eingepasst ist, die Spule (20) an einer Verschiebung entlang der y-Achsenrichtung gehindert wird, da die Vorsprünge (22a) des Spulenkör-pers (21) sandwichartig zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern (11, 12) von beiden Seiten entlang der y-Achsenrichtung her festgesetzt sind, und der Anker (41) der Ankereinheit (40) im Ankeraufnahmeraum (10b) untergebracht und entlang der z-Achsenrichtung durch das erste und das zweite Stabelement (45, 46) beweglich gehaltert wird, welche in Lager (80) eingebaut sind, die in der feststehenden Eisenkerneinheit (10) vorgesehen sind.
Aktuator, der Folgendes umfasst: eine feststehende Eisenkerneinheit (10) mit ersten bis vierten Eisenkernen (11 – 14), wobei der erste und der zweite Eisenkern (11, 12) jeweils geschlossene Kernabschnitte (11a, 12a) aufweist, und der dritte und der vierte Eisenkern (13, 14) jeweils geteilte Kernabschnitte (13a, 14a) aufweist, in welche der dritte und der vierte Eisenkern (13, 14) einander zugewandt entlang einer x-Achsenrichtung eines Cartesianischen Koordinatensystems angeordnet sind, das durch x-, y- und z-Achsen der geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern (11, 12) definiert ist, derart, dass die geteilten Kernabschnitte (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) zusammen einen zentralen, geschlossenen Kernabschnitt (10a) darstellen, weicher die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12), entlang der y-Achsenrichtung gesehen, überlappt, und die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) und der zentrale, geschlossene Kernabschnitt (10a), der durch die geteilten Kernabschnitte (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) gebildet wird, zusammen einen dadurch umgegebenen Ankeraufnahmeraum (10b) bilden; eine Ankereinheit (40) mit einem Anker (41) aus Magnetmaterial, und erste und zweite, am Anker (41) befestigte Stabelemente (45, 46); und Lager (80) die sandwichartig zwischen den geteilten Kernabschnitten (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) von beiden Seiten entlang der x-Achsenrichtung her festgesetzt und dazwischen gehalten werden; bei dem der Anker (41) der Ankereinheit (40) im Ankeraufnahmeraum (10b) untergebracht und entlang der z-Achsenrichtung durch das erste und das zweite Stabelement (45, 46) beweglich gehaltert wird, welche in die Lager (80) eingebaut sind, und der Anker (41) dazu gebracht wird, sich aus einer ersten zu einer zweiten Position, und umgekehrt, entlang einer z-Achsenrichtung durch Erregung einer Spule (20) zu bewegen.
Aktuator nach Anspruch 2, bei dem Nuten (13k, 14k), die in der x-Achsenrichtung geschnitten sind, in einander zugewandten Endflächen des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) ausgebildet sind, wobei die Lager (80) jeweils Hauptabschnitte (80a) und vorspringende Abschnitte (80b) aufweisen, die sich entlang der x-Achsenrichtung von den Hauptabschnitten (80a) erstrecken, wobei die Hauptabschnitte (80a) der Lager (80) sandwichartig zwischen dem dritten und dem vierten Eisenkern (13, 14) von beiden Seiten der x-Achsenrichtung her festgesetzt und dazwischen gehalten werden, und die vorspringenden Abschnitte (80b) der Lager (80) in die Nuten (13k, 14k) eingepasst sind, wodurch die Lager (80) an einer Bewegung zumindest entlang der y- und/oder z-Achsenrichtung gehindert werden.
Aktuator nach Anspruch 3, bei dem sich die Nuten (13k, 14k) zumindest entlang der y- und/oder z-Achsenrichtung erstrecken, und die vorspringenden Abschnitte (80b) der Lager (80) in die Nuten (13k, 14k) eingepasst sind, wodurch die Lager (80) an einer Bewegung zumindest entlang der y- und/oder z-Achsenrichtung gehindert werden.
Aktuator nach Anspruch 2, bei dem der dritte und der vierte Eisenkern (13, 14) ausgebildet werden, indem Magnetstahlbleche (17, 18) übereinander angeordnet werden.
Aktuator nach Anspruch 1, der darüber hinaus Permanentmagnete (50) umfasst; bei dem die vorspringende Abschnitte des ersten Eisenkerns ein Paar vorspringender Magnetpole (11f) bilden, die sich einander zugewandt entlang der x-Achsenrichtung von gegenüberliegenden Seiten des geschlossenen Kernabschnitts (11a) des ersten Eisenkerns (11) erstrecken und einen bestimmten Spalt dazwischen entlang der x-Achsenrichtung freilassen, der zweite Eisenkern (12) ein Paar vorspringender Magnetpole (12f) aufweist, die sich einander zugewandt entlang der x-Achsenrichtung von gegenüberliegenden Seiten des geschlossenen Kernabschnitts (12a) des zweiten Eisenkerns (12) erstrecken und einen bestimmten Spalt dazwischen entlang der x-Achsenrichtung freilassen, der dritte und der vierte Eisenkern (13, 14) jeweils vorspringende Magnetpole (13f, 14f) aufweist, die sich entlang der x-Achsenrichtung von Innenflächen der geteilten Kernabschnitte (13a, 14a) her erstrecken, die auf einer Seite vorspringenden Magnetpole (11f, 12f) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) und die vorspringenden Magnetpole (13f) des dritten und des vierten Eisenkerns (13) zusammen einen gegenüberliegenden Magnetpol (10c) darstellen, und die auf der anderen Seite vorspringenden Magnetpole (11f, 12f) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) und die vorspringenden Magnetpole (14f) des vierten Eisenkerns (14) zusammen einen weiteren gegenüberliegenden Magnetpol (10d) darstellen; und bei dem die Permanentmagnete (50) zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) und dem Anker (41) vorgesehen und an den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) oder am Anker (41) befestigt sind, und der Anker (41) entlang der z-Achsenrichtung in einer ersten und einer zweiten Position durch Magnetkräfte gehalten wird, die von den Permanentmagneten (50) erzeugt werden, und dazu gebracht wird, sich entlang der z-Achsenrichtung durch Erregung der Spule (20) aus der ersten in die zweite Position, und umgekehrt, zu bewegen.
Aktuator nach Anspruch 6, bei dem die Permanentmagnete (51) in Ausnehmungen eingebettet sind, die im Anker (42) ausgebildet sind, und derart daran befestigt sind, dass die Permanentmagnete (51) mit den Flächen des Ankers (42) bündig werden.
Aktuator nach Anspruch 6, darüber hinaus Tragplatten (60, 62 – 64) umfassend, die am Anker (41 – 43) oder den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) befestigt sind, wobei jede der Tragplatten (60, 62 – 64) eine Fläche jedes Permanentmagnets (50 – 52) bedeckt, wodurch die Tragplatten (60, 62 – 64) entlang des Ankers (41 – 43) oder den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) gleiten kann.
Aktuator nach Anspruch 8, bei dem beide Enden jeder der Tragplatten (62) entlang der z-Achsenrichtung entgegengesetzt verlängert sind und verlängerte Abschnitte (62b) bilden, welche in solch einer Richtung gerundet sind, dass die verlängerten Abschnitte jeden der Permanentmagnete (50) festhalten.
Aktuator nach Anspruch 6, bei dem die Lager (80) sandwichartig zwischen den geteilten Kernabschnitten (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) von beiden Seiten entlang der x-Achsenrichtung her festgesetzt und dazwischen gehalten sind.
Aktuator nach Anspruch 10, bei dem Nuten (13k, 14k), die in der x-Achsenrichtung geschnitten sind, in einander zugewandten Endflächen des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) ausgebildet sind, wobei die Lager (80) jeweils Hauptabschnitte (80a) und vorspringende Abschnitte (80b) aufweisen, wobei die Hauptabschnitte (80a) der Lager ($0) sandwichartig zwischen dem dritten und dem vierten Eisenkern (13, 14) von beiden Seiten entlang der x-Achsenrichtung her festgesetzt und dazwischen gehalten sind, und die vorspringenden Abschnitte (80b) der Lager (80) in die Nuten (13k, 14k) eingepasst sind, wodurch die Lager (80) daran gehindert werden, sich entlang der z-Achsenrichtung zu bewegen.
Aktuator nach Anspruch 10, bei dem der Ankeraufnahmeraum (10b) es ermöglicht, dass die Permanentmagnete (50 – 52) zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) und dem Anker (41) entlang der y-Achsenrichtung eingeführt werden können.
Aktuator nach Anspruch 1, bei dem die feststehende Eisenkerneinheit (110) einen fünften Eisenkern (221 – 223, 241 – 246) und einen Permanentmagneten (231 – 233, 251 – 256) umfasst, wobei der fünfte Eisenkern (221 – 223, 241 – 246) auf der Außenseite von zumindest einem der geschlossenen Kernabschnitte (111a, 112a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (111, 112) vorgesehen ist, wobei ein Ende des fünften Eisenkerns (221 – 223, 241 – 246) dem Anker entlang der y-Achse zugewandt angeordnet ist, wobei der fünfte Eisenkern einen Teil eines Magnetkreises darstellt, in dem ein Magnetfluss von dem einen der geschlossenen Kernabschnitte durch das Innere des Ankers entlang seiner Bewegungsrichtung fließt und zu dem einen der geschlossenen Kernabschnitte zurückkehrt, und der Permanentmagnet (231 – 233, 251 – 256) in dem Magnetkreis vorgesehen ist, und bei dem der Anker in einer ersten und einer zweiten Position entlang der z-Achsenrichtung durch eine vom Permanentmagneten erzeugte Magnetkraft gehalten und dazu gebracht wird, sich aus der ersten Position zur zweiten Position, und umgekehrt, entlang der z-Achsenrichtung durch Erregung der Spule zu bewegen.
Aktuator nach Anspruch 1, bei dem der Anker (41 – 43) eine in ihm entlang der z-Achsenrichtung ausgebildete Durchgangsöffnung (41a – 43a) und einen Innengewindeabschnitt (41b – 43b) aufweist, der in etwa der Mitte der Durchgangsöffnung (41a – 43a) ausgebildet ist, und das erste und das zweite Stabelement (45, 46) jeweils einen Schaftabschnitt (45b, 46b) mit einer glatten Oberfläche aufweisen, und einen Außengewindeabschnitt (45a, 46a), welcher in den Innengewindeabschnitt (41b – 43b) der Durchgangsöffnung im Anker geschraubt ist, wodurch ein Ende des ersten Stabelements (45) und ein Ende des zweiten Stabelements (46) in Kontakt miteinander gehalten werden.
Aktuator nach Anspruch 14, bei dem die Schaftabschnitte (45b, 46b) des ersten und des zweiten Stabelements (45, 46) in direktem Kontakt mit einer Innenfläche der Durchgangsöffnung (41a – 43a) im Anker sind und dadurch gehaltert werden.
Aktuator nach Anspruch 14, bei dem das erste und das zweite Stabelement (45, 46) aus einem nicht magnetischen Material bestehen.
Aktuator nach Anspruch 1, bei dem der Anker und/oder der erste bis vierte Eisenkern (11 – 14) dadurch ausgebildet wird, dass Magnetstahlbleche übereinander angeordnet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Aktuators, welcher umfasst: eine feststehende Eisenkerneinheit (10) mit ersten bis vierten Eisenkernen (11 – 14), wobei der erste Eisenkern (11) einen geschlossenen Kernabschnitt (11a) und nutartige Kanäle (11e) aufweist, welche zwischen dem geschlossenen Kernabschnitt (11a) und einem Paar vorspringender Abschnitte (11f) ausgebildet sind, welche sich von gegenüberliegenden Seiten des geschlossenen Kernabschnitts (11a) entlang einer x-Achsenrichtung eines Cartesianischen Koordinatensystems, das durch x-, y- und z-Achsen des geschlossenen Kernabschnitts (11a) definiert ist, nach innen erstrecken, wobei der zweite Eisenkern (12) einen geschlossenen Kernabschnitt (12a) aufweist, und der dritte und der vierte Eisenkern (13, 14) jeweils geteilte Kernabschnitte (13a, 14a) aufweisen, in welchen die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) einander zugewandt in einem bestimmten Abstand voneinander entlang der y-Achsenrichtung derart angeordnet sind, dass sie einander, in der y-Achsenrichtung gesehen, überlappen, der dritte und der vierte Eisenkern (13, 14) einander zugewandt entlang der x-Achsenrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern (11,12) derart angeordnet ist, dass die geteilten Kernabschnitte (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) zusammen einen zentralen, geschlossenen Kernabschnitt (10a) darstellen, der die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12), entlang der y-Achsenrichtung gesehen, überlappt, und die geschlossenen Kernabschnitte (11a, 12a) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) und der zentrale, geschlossene Kernabschnitt (10a), der von den geteilten Kernabschnitten (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) gebildet wird, zusammen einen dadurch umgebenen Ankeraufnahmeraum (11b) bilden; eine Ankereinheit (40) mit einem Anker (41) aus Magnetmaterial, und erste und zweite, am Anker (41) befestigte Stabelemente (45, 46); und Spulen (20), wovon jede eine Spulenkörper (21), und eine um den Spulenkörper (21) gewickelte Wicklung umfasst, wobei der Spulenkörper (21) Vorsprünge (22a) aufweist, die sich entlang der z-Achsenrichtung erstrecken; und Permanentmagnete (50); bei dem die Spulen (20) daran gehindert werden, sich entlang der x- und z-Achsenrichtung zu verschieben, da sie in die nutartigen Kanäle (11e) eingepasst sind, die im ersten Eisenkern (11) ausgebildet sind, die Spulen (20) daran gehindert werden, sich entlang der y-Achsenrichtung zu verschieben, da die Vorsprünge (22a) der Spulenkörper (21) sandwichartig zwischen dem ersten und dem zweiten Eisenkern (11, 12) von beiden Seiten entlang der y-Achsenrichtung her festgesetzt werden, und der Anker (41) der Ankereinheit (40) im Ankeraufnahmeraum (10b) untergebracht und beweglich entlang der z-Achsenrichtung durch das erste und zweite Stabelement (45, 46) gehaltert wird, welche in Lager (80) eingebaut sind, die in der feststehenden Eisenkerneinheit (10) vorgesehen sind; bei dem die vorspringenden Abschnitte des ersten Eisenkerns ein Paar vorspringender Magnetpole (11f) darstellen, die sich einander zugewandt entlang der x-Achsenrichtung von den gegenüberliegenden Seiten des geschlossenen Kernabschnitts (11a) des ersten Eisenkerns (11) her erstrecken und einen bestimmten Spalt dazwischen entlang der x-Achsenrichtung freilassen, der zweite Eisenkern (12) ein Paar vorspringender Magnetpole (12f) aufweist, die sich einander zugewandt entlang der x-Achsenrichtung von gegenüberliegenden Seiten des geschlossenen Kernabschnitts (12a) des zweiten Eisenkerns (12) her erstrecken und einen bestimmten Spalt dazwischen entlang der x-Achsenrichtung freilassen, der dritte und der vierte Eisenkern (13, 14) jeweils vorspringende Magnetpole (13f, 14f) aufweisen, die sich entlang der x-Achsenrichtung von Innenflächen der geteilten Kernabschnitte (13a, 14a) her erstrecken, die vorspringenden Magnetpole (11f, 12f) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) auf einer Seite, und die vorspringenden Magnetpole (13f) des dritten Eisenkerns (13) zusammen einen gegenüberliegenden Magnetpol (10c) darstellen, und die vorspringenden Magnetpole (11f, 12f) des ersten und des zweiten Eisenkerns (11, 12) auf der anderen Seite, und die vorspringenden Magnetpole (14f) des vierten Eisenkerns (14) zusammen einen weiteren gegenüberliegenden Magnetpol (10d) darstellen; bei dem die Permanentmagnete (50) zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) und dem Anker (41) vorgesehen und an den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) oder dem Anker (41) befestigt sind, und der Anker (41) in einer ersten und einer zweiten Position entlang der z-Achsenrichtung durch Magnetkräfte gehalten wird, die von den Permanentmagneten (50) erzeugt werden, und dazu gebracht wird, sich aus der ersten Position zur zweiten Position, und umgekehrt, entlang der z-Achsenrichtung durch Erregung der Spulen (20) zu bewegen; bei dem die Lager (80) sandwichartig zwischen den geteilten Kernabschnitten (13a, 14a) des dritten und des vierten Eisenkerns (13, 14) von beiden Seiten entlang der x-Achsenrichtung her festgesetzt und dazwischen gehalten werden; und bei dem der Ankeraufnahmeraum (10b) es ermöglicht, dass die Permanentmagnete (50 – 52) zwischen den gegenüberliegenden Magnetpolen (10c, 10d) und dem Anker (41) entlang der y-Achsenrichtung eingeführt werden können; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das erste und zweite Stabelement (45, 46) am Anker (41) zu befestigen; die Spulen (20, 30) und die Lager (80) über das erste und das zweite Stabelement (45, 46) zu schieben; die Lager durch den dritten und den vierten Eisenkern (13, 14) von beiden Seiten entlang der x-Achsenrichtung her sandwichartig festzusetzen, um die Lager (80) in Position zu halten; die Vorsprünge (22a, 32a) der Spulenkörper (21, 31) der Spulen (20, 30) durch den ersten und den zweiten Eisenkern (11, 12) sandwichartig festzusetzen, um die Spulen (20, 30) daran zu hindern, sich entlang der y-Achsenrichtung zu verschieben; die Permanentmagnete (50 – 52) in den Ankeraufnahmeraum (10b) entlang der y-Achsenrichtung einzuführen und die Permanentmagnete (50 – 52) an den gegenüberliegenden Magnetpolen (10e, 10d) oder dem Anker (41) zu befestigen.
Leistungsschalter, der Folgendes umfasst: den Aktuator nach einem der Ansprüche 1 – 17; und eine Schaltvorrichtung (3), deren Kontakte (4) durch den Aktuator (1) geöffnet und geschlossen werden, wobei einer der Kontakte (4) mit dem ersten oder zweiten Stabelement (45, 46) des Aktuators (1) verbunden ist.