DE19608953A1 - Bistabiler Kleinmagnet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen bistabilen Kleinmagneten, umfassend einen An­ ker, der in einer Spulenanordnung axial beweglich angeordnet ist und ein an bzw. in einem Ende der Spule angeordnetes festes Polstück, wobei der An­ ker bei entsprechender Bestromung der Spule in dessen Spulenrohr hinein und gegen das Polstück gezogen wird und wobei der Anker mit einem axial polarisierten Permanentmagneten versehen ist, der den Anker in der ange­ zogenen Stellung auch stromlos festhält und wobei bei entsprechend gerich­ teter Bestromung der Spule die Haftkraft des Permanentmagneten neutrali­ siert wird und der Anker durch die Kraft einer Feder in seine Ausgangslage (Hubanfangsstellung) bewegt wird.

Derartige Kleinmagnete werden in Geräten mit Verriegelungs- oder Verstell­ funktionen eingesetzt. Sie dienen beispielsweise der Erzeugung mechani­ scher ja-nein-Aussagen, dem Antrieb von kleinen Hebeln und Teilen in feinwerktechnischen Anwendungen, der Blendensteuerung in optischen Sy­ stemen oder der Steuerung von Schlitzblenden in Gas- und Ölbrennern. Solche bistabilen Kleinmagnete werden auch in batteriebetriebenen Syste­ men eingesetzt, wie z. B. bei der ferngesteuerten Ver- und Entriegelung von Schließvorrichtungen und Zylinderschlössern. Bei derartigen Anwendungen müssen die Kleinmagnete mit sehr geringer Leistungsaufnahme umschalten, damit z. B. die Batterie-Lebensdauer bei batteriebetriebenen Einrichtungen möglichst groß ist.

Aus der DE 30 19 418 A1 ist ein bistabiler Magnet bekannt, bei dem ein Tauchanker durch Zufuhr eines Arbeitsstromes gegen die Kraft einer Feder angezogen und permanentmagnetisch gehalten und nach Anlegen eines Gegenstroms zur Neutralisierung der permanentmagnetischen Kraftwirkung zurückbewegt wird.

Bei der bekannten Anordnung liegt der Permanentmagnet zur Erzeugung der permanentmagnetischen Haftkraft vollständig im Inneren des Spulen­ raumes. Er wird beim Arbeitshub durch den Arbeitsstrom zusätzlich magne­ tisiert und durch den Löschstrom zur Rückkehr des Ankers in die Ausgangs­ lage entmagnetisiert. Dazu sind Permanentmagnete mit sehr geringer Ko­ erzitivfeldstärke nötig, wobei dennoch die erforderliche Ummagnetisierungs­ leistung sehr hoch ist. Auch führen Streuungen des Magnetmaterials und Streuungen in den Steuerströmen zu sehr unterschiedlichen Funktionen 1 Schaltzeiten.

Bei der bekannten Anordnung ist die Anker-Konus-Konfiguration außerdem für lange Hubwege ungünstig, da eine zu geringe Hubanfangskraft sowie permanente Haftkraft vorhanden sind.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen bistabilen Magneten der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß dieser bei mini­ maler Steuerleistung schnell und sicher umgeschaltet werden kann, wobei aber auch lange Hubwege und hohe Hubanfangskraft sowie hohe perma­ nentmagnetische Haftkräfte vorhanden sein sollen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Anker einen weichmagneti­ schen Nebenanschluß für den Permanentmagneten aufweist und daß bei Hubanfangsstellung die Mitte des Permanentmagneten - in axialer Richtung gesehen - sich etwa in der Ebene des Spulenanfangs (der Stirnfläche der Spule) befindet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 angegeben.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der bistabile Magnet insgesamt sehr klein ausgebildet und dabei schnell und sicher umgesteuert werden kann. Dabei sind zur Umsteuerung nur sehr ge­ ringe Leistungen nötig, wobei die erzielten Umsteuerzeiten sehr klein und die Betätigungskräfte des Ankers dennoch relativ groß sind.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Ankers des Kleinmagneten liegt der Leistungsbedarf z. B. nur noch bei ca. 15% gegenüber einer Aus­ führung des Ankers ohne Permanentmagnetanordnung. Bei entsprechender konstruktiver Auslegung der magnetspezifischen Teile und Materialien sind noch weitere Steigerungen der Ansprechempfindlichkeit bzw. des Wirkungs­ grades des Kleinmagneten möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Ansicht eines bistabilen Kleinmagneten im Schnitt in der Hubanfangsstellung,

Fig. 2 die Ansicht des Kleinmagneten gem. Fig. 1 in der Hubend­ stellung,

Fig. 3 die Ansicht eines Magnetankers,

Fig. 4 die Ansicht eines modifizierten Ankers,

Fig. 5 die Ansicht eines weiteren modifizierten Ankers,

Fig. 6 die Ansicht eines weiteren modifizierten Ankers, und

Fig. 7 die Ansicht eines modifizierten Kleinmagneten im Schnitt in der Hubanfangsstellung.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kleinmagnet besteht im wesentlichen aus einem weichmagnetischen Magnetjoch 1, in das eine Erregerspule 2 mit einem in deren Spulenkörper 3 axial beweglichen Anker, der als Tauchanker ausgebildet ist, eingebaut ist. An einem Ende der Spule bzw. des Spulen­ körpers ist ein Polstück 5 vorgesehen, gegen das der Anker bei entspre­ chend gerichteter Bestromung gezogen wird.

In den Anker 4 ist ein Permanentmagnet 6 eingefügt. Dabei ist dieser Per­ manentmagnet axial magnetisiert, wie durch die Kennzeichnung der Pole mit N und S verdeutlicht ist.

In den Fig. 1 und 2 ist der Permanentmagnet als ringförmiger Magnet aus­ gebildet, durch dessen Mitte ein Teilstück 7 des weichmagnetischen Ankers verläuft. Dieses Teilstück wirkt als weichmagnetischer Parallelzweig. Auf dem oberen Ende des Ankers 4 befindet sich eine Feder 8, die hier als Kegelstumpf-Druckfeder mit progressiver Kennlinie vorgesehen ist. Diese Feder ist in einer Zentrier- bzw. Halterungsausnehmung 9 im vorderen Ende des Spulenkörpers 3 gehalten bzw. abgestützt und wirkt gegen einen An­ satz 10 am Anker. Dieser Ansatz wird vorzugsweise durch Aufschnappen ei­ ner Sicherungsscheibe auf den Anker gebildet. Durch diesen Ansatz wird gleichzeitig in Verbindung mit dem entsprechend ausgebildeten Magnetjoch ein Anschlag bzw. eine Hubbegrenzung für den Anker in dessen Huban­ fangsstellung realisiert.

Dabei wird der Anker - getrieben durch die Feder - so weit verschoben, bis der Anschlag am vorderen Ende des Magnetjochs anliegt.

Das untere Ende des Ankers 4 ist mit einem vorzugsweise durch Drehbear­ beitung erzeugten Kegelstumpf 12 versehen, wobei der größere Durchmes­ ser des Kegelstumpfes sich am äußeren Ende des Ankers befindet. Das Polstück 5 weist eine zylindrische Ausnehmung 13 auf, in die dieser Kegelstumpf bei Anzug des Ankers eintaucht, wobei durch die Ausnehmung ein Schubhals 14 ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Schubhals auf seiner Außenseite konisch ausgeführt, wobei dann das dünnere Ende des Schub­ halses sich an dessen Öffnung befindet.

Der Kegelstumpf 12 des Ankers und die Länge des Schubhalses 14 sind aufeinander abgestimmt, wobei die Höhe des Kegelstumpfes in etwa der Länge des Schubhalses entspricht.

Durch die Gestaltung des Ankerendes als Kegelstumpf wird in Verbindung mit dem Schubhals ein besonders günstiger Kraft-Weg-Kennlinienverlauf erzielt, wobei je nach Dimensionierung von Kegelstumpf und Schubhals eine Kraftanhebung bei Hubanfang, im Mittelbereich des Hubes oder an einer anderen Stelle des Hubes bewirkt werden kann.

Die Lage des Permanentmagneten innerhalb des Ankers ist so vorgesehen, daß bei der Hubanfangsstellung des Ankers (s. Fig. 1) ein "Pol" in der Spu­ le 2 eingetaucht ist und der andere "Pol" sich außerhalb der wirksamen Kupferwicklung, d. h. vor der Stirnseite 15 der Spule befindet. Vorzugsweise ist vorgesehen, daß sich die Mitte des Permanentmagneten in etwa in der Ebene der Spulenstirnseite befindet.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, ist der Anker 4 einerseits im Spulenkörper 3 und andererseits über einen Ankerabgriff bzw. Stößel 16 in einem nichtma­ gnetischen Lager 17 leichtgängig geführt.

Anstelle eines kleinen, separaten Lagers 17 kann ggf. auch ein kostengün­ stiger herstellbarer nichtmagnetischer Lagerdeckel 22, bei dem eine Durch­ gangsöffnung die Lagerstelle bildet, eingesetzt werden, wie in der Fig. 7 dargestellt.

Wird die Erregerspule 2 in einer solchen Richtung bestromt, daß das elek­ tromagnetische Feld das Feld des Permanentmagneten gleichsinnig ver­ stärkt, wird der Anker 4 in Richtung des Polstückes 5 gezogen. Neben dem elektromagnetischen und permanentmagnetischen Arbeitsfeld, welche sich im Luftspalt zwischen Polstück 5 und Anker 4 aufbaut, wird dabei zusätzlich eine gleichsinnige Kraftwirkung auf den Permanentmagneten 6 ausgeübt. Vgl. Fig. 1: Nordpol N wird in die Spule hineingezogen, der in der Spule be­ findliche Südpol wird von dem am diesbezüglichen Spulensüdpol, der sich an der Stirnseite 15 der Spule aufbaut, abgestoßen und weiter in Richtung Spulenmitte getrieben. Es entsteht also ein Antriebsschub an beiden Polen des Permanentmagneten (Ankers) in gleicher Richtung.

Durch diese Kombination der vorstehend erläuterten Antriebsmechanismen wird eine hohe Ansprechempfindlichkeit erzielt und damit der Wirkungsgrad des Magnetsystems wesentlich erhöht.

Nach dem Bestromen der Erregerspule in der vorstehend geschilderten Richtung nimmt der Anker die in der Fig. 2 dargestellte permanentmagneti­ sche Haftstellung ein. Diese wird nach Erreichen auch ohne weitere Be­ stromung der Erregerspule dauerhaft beibehalten.

Das Zurückschalten in die Hubanfangslage des Ankers wird durch Umpolen des elektromagnetischen Feldes ausgelöst. Hierdurch wird dann der ma­ gnetische Fluß in dem Polbereich des Polstückes 5 und dem Anker-Kegel­ stumpf 12 neutralisiert und verdrängt. Hierbei wird ein großer Anteil des permanentmagnetischen Flusses über den weichmagnetischen Parallel­ zweig 7 verdrängt. Die Umpolung des elektromagnetischen Feldes kann ggf. auch mittels einer zweiten Erregerspule erfolgen, sofern z. B. ein Umpolen des Spulenstroms nicht erfolgen soll.

Die vorstehend beschriebene Magnetanordnung stellt in Verbindung mit der Feder 8 einen bistabilen Aktuator dar, der sich mit kurzen, leistungsarmen Steuerimpulsen schnell in die jeweils andere Ankerendstellung umschalten läßt, in der er jeweils leistungslos verharrt.

Für die kostengünstige Herstellung großer Mengen dieser Magnete kann ggf. vorgesehen sein, daß das weichmagnetische Magnetjoch 1 durch ein nichtmagnetisches Joch, wie z. B. ein Kunststoffspritzteil, auch das Lager 17 mit umfassend, gebildet wird. Es hat sich gezeigt, daß die grundsätzliche Funktion des Magneten dennoch vorhanden ist.

In den Fig. 3 bis 6 sind Anker 4 mit unterschiedlich eingefügten Permanent­ magneten 6 dargestellt. Alle Anker weisen das gemeinsame Merkmal auf, daß sich ein axial magnetisierter Permanentmagnet innerhalb des Ankers befindet und daß ein weichmagnetischer Nebenschluß vorgesehen ist.

Bei dem Anker gem. Fig. 3 ist der Anker mit einer Ringnut versehen, in der ein ringförmiger Permanentmagnet 6 eingefügt ist. Dabei bildet das Mittel­ bzw. Teilstück 7 des Ankers den Nebenschluß. Zur Herstellung des Ankers kann vorgesehen sein, daß entweder der Anker zweiteilig oder der ringför­ mige Permanentmagnet zweiteilig ausgebildet ist.

Der Permanentmagnet kann ggf. auch durch Umspritzung eines kunststoff­ gebundenen Permanentmagnetmaterials in den Anker eingebracht werden.

Bei dem Anker gem. Fig. 4 ist der Anker mit einer Ausnehmung 18 versehen, in die ein kreissegmentförmiger Permanentmagnet 6 eingefügt ist. Das ne­ ben dem Permanentmagneten vorhandene Anker-Teilstück 7 bildet dabei den weichmagnetischen Nebenschluß.

Bei dem Anker gem. Fig. 5 ist vorgesehen, daß dieser aus zwei Teilen zu­ sammengefügt ist. Dabei ist das eine Teil mit einer Ausnehmung 19 verse­ hen, in die der Permanentmagnet 6 eingesetzt ist. Die ringförmige Wand 20, die durch die Ausnehmung ausgebildet ist, bildet dabei dann den weichma­ gnetischen Nebenschluß.

Schließlich zeigt Fig. 6 noch einen Anker 4, in den ein Permanentmagnet 6 mit dem gleichen Durchmesser wie der Anker selbst eingefügt ist. Der weichmagnetische Nebenschluß wird hierbei durch eine aufgeschobene, dünne Hülse 21 aus weichmagnetischem Material gebildet oder ggf. kann auch vorgesehen sein, daß die Anker- und Permanentmagnetoberfläche mit einem galvanisch aufgebrachten, weichmagnetischen Überzug versehen ist.

Claims (10)

1. Bistabiler Kleinmagnet, umfassend einen Anker, der in einer Spulen­ anordnung axial beweglich angeordnet ist und ein an bzw. in einem Ende der Spule angeordnetes festes Polstück, wobei der Anker bei entsprechender Bestromung der Spule in dessen Spulenrohr hinein und gegen das Polstück gezogen wird und wobei der Anker mit einem axial polarisierten Permanentmagneten versehen ist, der den Anker in der angezogenen Stellung auch stromlos festhält und wobei bei ent­ sprechend gerichteter Bestromung der Spule die Haftkraft des Per­ manentmagneten neutralisiert wird und der Anker durch die Kraft ei­ ner Feder in seine Ausgangslage (Hubanfangsstellung) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (4) einen weichmagnetischen Nebenschluß (7) für den Permanentmagneten (6) aufweist, und daß bei Hubanfangsstellung die Mitte des Permanentmagneten (6) - in axialer Richtung gesehen - sich etwa in der Ebene (15) des Spu­ lenanfangs (der Stirnfläche der Spule 2) befindet.

2. Bistabiler Kleinmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (6) in eine kreissegmentförmige Ausneh­ mung (18) des Ankers (4) eingefügt ist.

3. Bistabiler Kleinmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (6) konzentrisch in eine Ausnehmung (19) des Ankers (4) eingefügt ist, und
daß die Ausnehmung (19) derart ausgebildet ist, daß der Permanent­ magnet (6) koaxial von einer dünnen Wandung (20) des Ankermate­ rials umschlossen ist.

4. Bistabiler Kleinmagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Permanentmagnet (6) konzentrisch in den Anker (4) einge­ fügt ist, und
daß der Permanentmagnet (6) und der Anker von einer dünnen Hül­ se (21) aus weichmagnetischem Material umschlossen ist.

5. Bistabiler Kleinmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet,
daß das vordere Ende des Ankers (4) in der Art eines Kegelstumpfes (12) ausgebildet ist, wobei der größere Durchmesser des Kegelstump­ fes sich am Anfang des Ankers befindet, und
daß die Länge bzw. Höhe des Kegelstumpfes etwa der Länge des Ankerhubes entspricht.

6. Bistabiler Kleinmagnet nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das Polstück (5) eine zylindrische Ausnehmung (13) aufweist, in die das vordere Kegelstumpf-Ende des Ankers (4) eintaucht, wobei durch diese Ausnehmung (13) und die äußere Gestaltung des Kernes ein Schubhals (14) bzw. Schubhalsring ausgebildet ist, und
daß die Außenseite des Schubhalses konisch verjüngt ist.

7. Bistabiler Kleinmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bewegung des Ankers (4) in seine Hubanfangsstellung vorgesehene Feder (8) eine progressive Kennlinie aufweist.

8. Bistabiler Kleinmagnet nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (8) eine Kegelstumpf-Druckfeder ist, die den Anker (4) außerhalb der Spule (2) umgibt und in einer Zentrierausnehmung (9) am Spulenkörper positioniert ist und gegen einen Ansatz (10) des An­ kers wirkt.

9. Bistabiler Kleinmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stirnseite des Magneten mit einem nichtmagnetischen Lager­ deckel (22) versehen ist.

10. Bistabiler Kleinmagnet nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Magnetjoch (1) aus nichtmagnetischem Material hergestellt ist.