DE19712064A1 - Elektromagnetischer Antrieb - Google Patents
Elektromagnetischer AntriebInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein derartiger elektromagnetischer Antrieb ist z. B. aus der EP 0357938 B1 bekannt.
Er dient dort als elektromagnetischer Antrieb einer Stelleinrichtung für ein
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine. Dort sind zwei sich gegenüberliegende
Topfelektromagnete verwendet und der Anker ist als zwischen diesen Topfmagneten
liegende Ankerplatte ausgebildet, die von ihrem Zentrum zum Rand hin in ihrer
Dicke abnimmt.
Darüber hinaus sind drei oder vier Magnetpole mit zugehörigen Luftspalten bekannt.
Magnettechnisch steigt mit der Anzahl und Länge der Luftspalte die Erregerleistung
ganz erheblich. Diese Ankerausbildung bringt zwar kleineres Gewicht, aber keine
optimale Magnetkraft, wegen der Einengung des Magnetflusses durch die kleineren
Querschnitte im Außenbereich. Auch in E 00 43 426 B1 und in DE 195 11 880 A1
sind Ausführungen beschrieben, die viele Magnetpole und große Luftspalte für die
Hubbewegung (= Ankerbewegung) und damit hohe Erregerleistung benötigen.
Der erfindungsgemäße Antrieb kann ebenfalls als Ventilantrieb, jedoch auch an
anderer Stelle z. B. bei Pumpen zum Einsatz kommen.
Er zeichnet sich durch hohe Verstellkräfte bei geringem Leistungsbedarf aus. Der
Anker kann bei den Endstellungen zeitweilig arretiert werden. Die günstige Relation
Verstellkraft zu Leistungsbedarf resultiert aus der Tatsache, daß nur ein oder zwei
Magnetpole und damit Luftspalte notwendig sind. Durch die Keilform des Ankers
gemäß einer Weiterbildung wird der effektive Luftspalt nahezu halbiert und damit
eine kleinere Erregerleistung erforderlich bei gleichem Hub und gleicher
Magnetkraft. Darüber hinaus ist bei einem vorzugsweise rechteckigen Querschnitt
des gesamten Magneten eine durchgehende Lamellierung möglich, was geringere
Wirbelstromverluste und kleinere Schaltzeiten zur Folge hat.
Die Unteransprüche enthalten Optimierungsmaßnahmen z. B. für die Erzielung einer
geringeren Ankermasse und zur Erzielung eines speziellen Magnetkraftverlaufs mit
hoher Anfangs- und Endkraft.
Anhand der Zeichnung wird das Prinzip der Erfindung sowie verschiedene
beispielhafte Anker- und Polflächenausbildungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 bis 6 mögliche Ankerformen und Polflächenausbildungen zur
Optimierung mit darunter gezeichneten Diagrammen zur
Kräftedarstellung;
Fig. 7 ein Antrieb mit einpoligen Elektromagneten.
In Fig. 1 sind mit 1 und 2 Kerne zweier Elektromagnete bezeichnet, deren
zugehörige Spulen mit 3 und 4 bezeichnet sind. Diese zweipoligen Elektromagnete
1/3 und 2/4 weisen sich gegenüberliegende Magnetpolflächen auf. Zwischen diesen
Magnetpolflächen ist ein quaderförmiger Anker 5 angeordnet. Dieser wird durch zwei
Federn 6 und 7 in einer Zwischenstellung z. B. der Mittelstellung (= s/2) zwischen
den Magnetpolen gehalten. Abstützungen der Federn 6 und 7 sind angedeutet (8
und 9). Wird eine der Spulen 3 oder 4 erregt so wandert der Anker 5 bei
entsprechender Erregung in Richtung des erregten Elektromagneten aus und kommt
an den Magnetpolen zur Anlage. Er verbleibt dort, bis die Erregung abgeschaltet
wird und er durch die Federkräfte wieder in die Mittelstellung zurückgestellt wird. In
der Zeichnung sind noch die bei Erregung eines der Elektromagnete 1/3 bzw. 2/4
entstehenden Magnetfeldverläufe angedeutet (Φ1 bzw. Φ2).
In Fig. 2 sind die Magnetpole 10 und 11 der beiden Elektromagnete 1/3 bzw. 2/4 und
der Anker 5 vergrößert herausgezeichnet. Darunter sind die Magnetkräfte I und II
über dem Weg s zwischen den Magnetpolen 10 und 11 der gegenüberliegenden
Elektromagnete dargestellt.
Fig. 3 zeigt etwas anders gestaltete Magnetpole 13 und 14 sowie einen anders
gestalteten Anker 15. Der Anker 15 weist Aussparungen 16 aus Gewichtsgründen
auf, die praktisch zwischen den Magnetpolen eines jeden Elektromagneten
angeordnet sind. Es werden hiermit am Anker Pole ausgebildet, und ein
Magnetkraftverlauf mit hoher Anfangs- (bei großem Luftspalt) und Endkraft erzeugt.
Hierzu trägt auch die Ausbildung von seitlichen Polflächen 19 an den Magnetpolen
13 und 14 bei. Es wird damit insgesamt erreicht, daß der magnetische Querschnitt
im Flußverlauf ungefähr konstant ist. In der Endstellung wird die Wirkung der
magnetischen seitlichen Zusatzpole durch die Verwendung von Aussparungen 17
und 18 am Anker und 20 an den Magnetpolen also durch das Vorsehen eines
großen magnetischen Querwiderstands herabgesetzt, im Gegensatz zur Stirnfläche,
wie dies die gestrichelte Stellung zeigt. Den erzielten Kräfteverlauf der beiden
Magnete über den Ankerlauf zeigt Fig. 3 unten.
In der Fig. 4 sind die unteren Magnetpole 21 und der untere Teil des Ankers 22 so
wie in Fig. 3 beschrieben aufgebaut. Die Polflächen der oberen Magnetpole 23/23a
liegen unter einem Winkel von z. B. α = 30° geneigt zur Bewegungsrichtung des
Ankers 22. Der obere Teil des Ankers 22 ist als Keil ausgebildet. Seine Flächen
liegen parallel zu den Polflächen. Der Abstand zwischen den großen Polflächen und
den Flächen des Keils beträgt hier nur s/4, was eine hohe Anzugskraft nach oben
bei kleinerer Erregungsleistung bedeutet. Dies zeigt auch die dargestellte
Kraftverteilung. Auch hier ist in Fig. 4 unten der typische Kraftverlauf der beiden
Magnete I und II dargestellt. Die geneigten Teile 23a der Magnetpole 23a und
vorzugsweise der Anker 22 können aus magnetisch hochwertigem Material gestaltet
werden. Die Magnetschenkel 23 aus normalem Material benötigen dann einen
größeren Querschnitt.
Natürlich kann der Winkel α auch von 30° abweichen. Noch kleinere Winkel
ergeben jedoch große Polflächen und damit große Magnetdimensionen mit
entsprechendem Gewicht.
In Fig. 5 sind beide Magnetpole und beide Ankerhälften, so wie anhand der Fig. 4
oben beschrieben (Doppelkeil 24) ausgebildet.
Im Inneren des Ankers ist zur Gewichtsersparnis eine Höhlung 25 vorgesehen.
In Fig. 6 enthält der Doppelkeil 26 noch zusätzlich einen langgestreckten
Permanentmagneten 27, dessen Magnetausrichtung quer zur Bewegungsrichtung
des Ankers 26 liegt. Hierdurch kann man die Halteenergie in den Endstellungen
verringern. Der Vorteil dieses Vorschlages im Vergleich zur DE 35 00 530 C2
besteht darin, daß für beide Endlagen nur ein Permanentmagnet benötigt wird.
Natürlich wird man bei allen Ausführungsbeispielen bei den Magnetkernen und den
Ankern magnetisch hochwertiges Material verwenden.
Insbesondere bei durchgehend rechteckigem Querschnitt auch des Ankers ist eine
durchgehende Lamellierung möglich, was zur Reduzierung der Wirbelstromverluste
führt. Bei den oben genannten Patentanmeldungen EP 03 57 938 B1 und DE 35 00 530 C2
ist dies nicht möglich.
Die Anker- und Magnetpolgestaltung muß für die Magnetkreisoptimierung auf die
Ankerlagerung ausgelegt sein.
Die Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Magnetpol. Der Anker 30 wird
durch die Federn 31 in einer Zwischenstellung gehalten und wandert bei Erregung
eines der Elektromagnete nach oben oder unten. Es gibt hier nur einen Luftspalt.
Claims (20)
1. Elektromagnetischer Antrieb mit zwei Elektromagneten, deren Polflächen
wenigstens teilweise einander zugewandt sind und mit einem zwischen
diesen Polflächen hin- und herbewegbaren Anker, der bei abgeschalteten
Magneten durch Federkräfte in eine Zwischenstellung gebracht und dort
gehalten wird und bei Einschalten eines der Elektromagneten in eine
Endstellung zumindest in der Nähe der Polflächen des entsprechenden
Elektromagneten gebracht wird, wobei der Anker mit dem anzutreibenden
Teil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete als ein-
oder zweipolige Elektromagnete (1/3, 2/4) ausgebildet sind.
2. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anker derart gestaltet ist, daß der magnetische Widerstand der
Magnetflüsse im Verlauf des Ankers näherungsweise konstant ist (Fig. 3).
3. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anker (5) etwa die Form eines Quaders aufweist
(Fig. 1 und Fig. 2).
4. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anker (15) an wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Flächen
Ausnehmungen (16, 17) aufweist (Fig. 3).
5. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die vier Polflächen der Elektromagnete dem Anker in seiner Zwischenstellung
auch seitlich gegenüberstehen (Polflächen 19 der Fig. 3).
6. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die seitlichen Anteile der Polflächen in der Nähe der anderen Anteile
Aussparungen (20) aufweisen, um einen großen Magnetwiderstand im
Vergleich zur Stirnfläche zu erzeugen.
7. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Polflächen wenigstens eines Elektromagneten (Pole
23a) zur Bewegungsrichtung des Ankers geneigt sind, und daß am Anker (22)
diesen Polflächen gegenüberliegende entsprechende Flächen ausgebildet
sind (Fig. 4; Fig. 5).
8. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Polflächen des zweiten Elektromagneten (Pole 21) und die diesen
Polflächen gegenüberliegenden Flächen des Ankers (22) senkrecht zur
Bewegungsrichtung des Ankers (22) angeordnet sind (Fig. 4).
9. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anker an der den Polflächen des zweiten Elektromagneten
gegenüberliegenden Fläche eine zwischen den Polflächen des zweiten
Elektromagneten (Pole 21) angeordnete Aussparung aufweist (Fig. 4).
10. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Polflächen des zweiten Elektromagneten (Pole 21) dem Anker (22)
in seiner Zwischenstellung auch seitlich gegenüberstehen (Fig. 4).
11. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die seitlichen Anteile der Polflächen (Pole 21) in der Nähe der anderen
Anteile Aussparungen aufweisen (Fig. 4).
12. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Anker (26) zentral und über einen wesentlichen
Anteil seiner Höhe reichend ein Permanentmagnet (27) angeordnet ist,
dessen Magnetpole senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers liegen
(Fig. 6) und der damit vornehmlich in der Endlage bei kleinen Luftspalten in
dem entsprechenden Magnetkreis eine nennenswerte Haltekraft erzeugt (Fig. 6
unten).
13. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß das anzutreibende Teil ein Ventil, insbesondere eines
Verbrennungsmotors ist.
14. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch seine Anwendung in Pumpenantrieben.
15. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kerne der Magnetkreise und/oder der Anker
lamelliert sind.
16. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Anker und/oder die Kerne der Magnetkreise aus
magnetisch hochwertigem Material besteht.
17. Elektromagnetischer Antrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Magnetpole aus einem hochwertigem Material bestehen und der
nachfolgende Magnetkern aus weniger hochwertigem Material aber mit
großem Querschnitt ausgestaltet ist.
18. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anker- und Magnetpolgestaltung auf eine
Blattfederführung abgestimmt sind.
19. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anker- und Magnetpolgestaltung auf eine drehbare
Ankerlagerung abgestimmt sind.
20. Elektromagnetischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß in einem Doppelmagnetsystem unterschiedliche
Kraftverläufe erzeugt werden, die spezifisch auf elektromagnetische
Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen ausgelegt sind (Fig. 4).
Priority Applications (4)
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