DE19714413A1 - Elektromagnetischer Antrieb - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Antrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein derartiger elektromagnetischer Antrieb ist z. B. aus der EP 0 357 938 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 0 043 426 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.

Vorteile der Erfindung

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.

Figurenbeschreibung

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 1 und 11 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 0 357 938 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.

Der oben beschriebene elektromagnetische Antrieb kann, wie eingangs beschrieben, zum Antreiben eines Gaswechsel-Ventils oder eines anderen vergleichbaren Ventils eingesetzt werden. Auch kann damit eine Pumpe angetrieben werden.

Aber auch sein Einsatz bei Getrieben ist möglich, weil auch dort eine schnelle Umschaltung von der einen in die andere Stellung mit hoher Kraft erwünscht ist. Auch bei sonstigen Anwendungen mit ähnlichen Voraussetzungen ist die Erfindung einsetzbar.

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 Magentkreise 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).