DE19819818A1

DE19819818A1 - Elektromagnetischer Motor mit interner Wirbelstromdämpfung

Info

Publication number: DE19819818A1
Application number: DE19819818A
Authority: DE
Inventors: Pablo Bandera
Original assignee: Moog Inc
Current assignee: Moog Inc
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1998-05-04
Publication date: 1998-11-12
Also published as: JPH10336988A; GB9809142D0; US5814907A; GB2326985B; GB2326985A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der elektromagnetischen Aktuatoren und Motoren und insbe sondere einen verbesserten elektromagnetischen Motor mit interner Wirbelstromdämpfung zur Dämpfung der Geschwin digkeit eines Ankers relativ zu einem Körper.

Bisher sind viele verschiedene elektromagnetische Motoren und Aktuatoren entwickelt worden. Diese Vorrichtungen decken einen Bereich von einfachen Solenoiden bis zu komplexen Motoren ab und sind typischerweise so konfigu riert, daß sie entweder einen Linear- oder einen Rotati onsantrieb schaffen. Beispiele solcher Vorrichtungen sind aus dem Patent US 4.631.430 und aus US Re 34.870-A be kannt, deren Offenbarungen hier durch Literaturhinweis eingefügt sind. Diese Dokumente enthalten auch eine Diskussion der grundlegenden wissenschaftlichen Prinzi pien, die dem Prinzip eines elektromagnetischen Motors zugrundeliegen.

Derartige Motoren enthalten typischerweise einen Anker, ein Paar Permanentmagneten, eine elektromagnetische Spule und einen Körper zum Leiten eines magnetischen Flusses. Die Permanentmagneten und die Spule erzeugen, wenn sie erregt werden, magnetische Flüsse, die der Körper und der Anker leiten können.

Der Anker ist in bezug auf den Körper beweglich, um so mehrere Wirkluftspalte mit variabler Reluktanz (mit variabler Länge oder variabler Fläche) zu erzeugen. Weiterhin ist der Anker in bezug auf den Körper so posi tioniert, daß zwischen den Permanentmagneten und dem Anker ein Blindluftspalt mit konstanter Reluktanz defi niert ist. Im Betrieb enthalten die Wirkluftspalte einen Netto-Magnetfluß, der die algebraische Summe aus den einzelnen Flüssen ist, die den Permanentmagneten und der Spule zuschreibbar sind. Der in diesen Luftspalten mit variabler Reluktanz enthaltene Nettofluß verändert sich in Abhängigkeit von der Polarität und der Größe des der Spule zugeführten elektrischen Stroms und von der Posi tion des Ankers in bezug auf den Körper. Eine resultie rende Kraft oder ein resultierendes Drehmoment, das bestrebt ist, den Anker zu bewegen, wird in Abhängigkeit von dem in den Wirkluftspalten enthaltenen Fluß erzeugt.

Derartige elektromagnetische Motoren werden typischer weise dazu verwendet, hydraulische Servoventile mit hohem Ansprechverhalten direkt anzutreiben. Das dynamische Betriebsverhalten solcher Ventile ist im allgemeinen durch die mechanische Resonanz des Motor/Ventilsystems begrenzt. Diese Resonanz ist in erster Linie eine Funk tion der Lastträgheit und der effektiven Federkonstante des Motors. Servoventile mit leicht gedämpfter Resonanz führen manchmal zu einer Systeminstabilität und zu damit in Beziehung stehenden dynamischen Steuerproblemen. Es ist wohlbekannt, daß die Ventilleistung und das dynami sche Ansprechverhalten durch die Verwendung mechanischer Dämpfungskräfte verbessert werden kann. Ein Verfahren zur Schaffung einer Dämpfung erfolgt durch die Einleitung von Wirbelströmen in ein stromleitendes Element, das mit dem Motor-Magnetfluß in Wechselwirkung tritt.

Wirbelströme sind ein elektromagnetisches Phänomen, durch das in elektrisch leitenden Materialien eine Zirkulation elektrischer Ströme erzeugt wird. Die Erzeugung solcher Ströme wird z. T. durch die Lenzsche Regel beschrieben. Die Lenzsche Regel stellt allgemein fest, daß in einer Leiterschleife oder einem geschlossenen Kreis ein elek trischer Strom erzeugt wird, sobald der Leiter durch ein Magnetfeld bewegt wird und die Linien des magnetischen Flusses schneidet. Der resultierende Wirbelstrom fließt in einer Richtung, so daß eine Kraft erzeugt wird, die der Bewegung entgegengesetzt ist, die den Strom indu zierte, und die zur Geschwindigkeit der Bewegung propor tional ist. Wenn Wirbelströme in einem elektromagneti schen Motor erzeugt werden, üben sie auf den Anker eine viskose Zugkraft aus, wodurch das dynamische Ansprechver halten gedämpft wird. In ähnlicher Weise werden Wirbel ströme auch in einem unbewegten Leiter erzeugt, der einem Magnetfeld unterschiedlicher Stärke ausgesetzt ist, wobei die Linien des magnetischen Flusses eines expandierenden oder kontrahierenden Magnetfeldes den Leiter schneiden.

Ein Beispiel einer Wirbelstromdämpfung in einem elektro magnetischen Motor ist aus dem Patent US 4.510.403 be kannt. Dieses Patent offenbart einen elektromagnetischen Motor mit begrenztem Winkel, der einen rotierenden Perma nentmagnetanker und Wirkluftspalte mit veränderlicher Fläche besitzt. In den Wirkluftspalten ist ein stationä res Rotorgehäuse aus einem Material mit hoher elektri scher Leitfähigkeit angeordnet. Durch das Rotorgehäuse verläuft ein Netto-Magnetfluß, der die algebraische Summe aus dem Fluß durch die elektromagnetische Spule und aus dem Fluß durch den Permanentmagneten ist. Innerhalb des Gehäuses werden Wirbelströme erzeugt, jedoch nicht auf grund der Bewegung des Leiters durch das Magnetfeld, sondern durch eine Änderung des Magnetfeldes, die durch eine Bewegung des Rotors und durch eine Veränderung des Spulenstroms hervorgerufen wird. Folglich hängen die Wirbelströme sowohl von der Rotor-Winkelgeschwindigkeit als auch von der dynamischen Änderung des Spulenstroms ab. Das Ergebnis ist eine Kombination aus einer erwünsch ten Dämpfung und einer unerwünschten dynamischen Verzöge rung. Obwohl dieses Dokument die Verwendung einer Wirbel stromdämpfung in Verbindung mit dynamischen Systemanfor derungen angibt, scheint es keine Konfiguration zu offen baren oder vorzuschlagen, in der Wirbelströme in einem stromleitenden Element durch die Bewegung des Leiters durch den relativ konstanten Fluß eines Blindluftspalts mit konstanter Reluktanz erzeugt werden, um reine Dämp fungskräfte zu erzeugen, die vom Spulenstrom unabhängig sind.

Es wird nicht davon ausgegangen, daß der Stand der Tech nik einen elektromagnetischen Motor lehrt, in dem eine Wirbelstromdämpfung durch Bewegung eines stromleitenden Elements durch einen Blindluftspalt, der einen hauptsäch lich einem Permanentmagneten zuschreibbaren konstanten magnetischen Fluß enthält, verwirklicht wird. Ferner wird davon ausgegangen, daß der Stand der Technik nicht die Verwendung einer Wirbelstromdämpfung lehrt, bei der die Wirbelströme nicht von Änderungen des der elektromagneti schen Spule zuschreibbaren magnetischen Flusses abhängen.

Der Erfindung liegt daher die allgemeine Aufgabe zu grunde, einen verbesserten Elektromotor mit interner Wirbelstromdämpfung und verbesserter dynamischer An sprechcharakteristik zu schaffen.

Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Elektromotor mit wenigstens zwei Wirkluft spalten mit variabler Reluktanz und wenigstens einem Blindluftspalt mit konstanter Reluktanz zu schaffen, wobei im Blindluftspalt ein stromleitendes Element ange ordnet ist.

Der Erfindung liegt die nochmals weitere Aufgabe zu grunde, in einem elektromagnetischen Motor einen weite ren, getrennt magnetisierten Blindluftspalt sowie ein weiteres Paar Permanentmagneten vorzusehen, um einen nur durch den hinzugefügten Blindluftspalt verlaufenden Fluß zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die nochmals weitere Aufgabe zu grunde, einen elektromagnetischen Motor zu schaffen, bei dem der Magnetfluß im Blindluftspalt auf einem im wesent lichen konstanten Pegel gehalten wird und das leitende Elemente innerhalb eines solchen Luftspalts bewegt wird.

Der Erfindung liegt die nochmals weitere Aufgabe zu grunde, einen verbesserten elektromagnetischen Motor zu schaffen, der ohne weiteres modifizierbar ist, wirt schaftlich herzustellen ist, gewichtseffizient, zuverläs sig und robust ist und in Verbindung mit vielen verschie denen Servoventil- und Aktuator-Entwürfen verwendet werden kann.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen elektromagnetischen Motor, der die in einem der unabhän gigen Ansprüche angegebenen Merkmale besitzt. Der abhän gige Anspruch ist auf eine zweckmäßige Ausführung der Erfindung gerichtet.

Der erfindungsgemäße elektromagnetische Motor enthält allgemein einen Anker, einen magnetisch leitenden Körper, ein Paar Permanentmagneten und eine elektromagnetische Spule.

Der Anker ist in der Weise angebracht, daß er relativ zum Körper eine begrenzte Bewegung ausführen kann. Der Anker und der Körper sind so beschaffen, daß sie einen magneti schen Fluß leiten. Der Anker ist in bezug auf den Körper in der Weise angebracht, daß mehrere Wirkluftspalte mit veränderlicher Reluktanz sowie wenigstens ein Blind luftspalt mit konstanter Reluktanz definiert werden. Wenn die Spule erregt wird, ist der Netto-Magentfluß im jedem Wirkluftspalt die algebraische Summe aus einem den Perma nentmagneten zuschreibbaren Fluß und einem der Spule zu schreibbaren veränderlichen Fluß, wobei der Blind luftspalt einen nur den Permanentmagneten zuschreibbaren konstanten Fluß enthält.

Am Anker ist ein zylindrisches stromleitendes Element befestigt, das so beschaffen ist, daß es sich im Blind luftspalt in einer Richtung mit einer zum Magnetfluß im Blindluftspalt im wesentlichen senkrechten Komponente bewegt. Eine solche Bewegung induziert in dem stromlei tenden Element Wirbelströme, die von der Geschwindigkeit des Ankers relativ zum Körper abhängig ist, jedoch nicht von den Änderungen des der Spule zuschreibbaren Flusses oder des der Position des Ankers zuschreibbaren Flusses abhängen. Im Ergebnis schafft diese Anordnung eine ideale Wirbelstromdämpfung für die Geschwindigkeit des Ankers.

Der Körper und der Anker sind funktional in der Weise angeordnet, daß in Abhängigkeit vom Strom durch die Spule veränderliche magnetische Kräfte auf den Anker wirken. Das stromleitende Element wird durch den den Magneten zuschreibbaren magnetischen Fluß bewegt, um eine Wirbel stromdämpfung für die Geschwindigkeit des Ankers zu erzeugen. Der Motor ist so konfiguriert und beschaffen, daß der magnetische Fluß, der Änderungen des Stroms durch die Spule oder Änderungen der Position des Ankers zu schreibbar ist, nicht durch das leitende Element ver läuft.

Der Anker kann so konfiguriert sein, daß er in bezug auf den Körper eine Linearbewegung oder eine Rotationsbewe gung ausführt. Weiterhin kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die einen zusätzlichen, getrennt magnetisierbaren Blindluftspalt hinzufügt, um eine größere Dämpfungswirkung als diejenige zu erzeugen, die durch die Magneten erhal ten werden kann, die für eine erwünschte Motorkraft dimensioniert sind. Eine Ausführung dieser Einrichtung enthält die Verwendung eines zusätzlichen Paars Perma nentmagneten, die so angeordnet sind, daß sie einen Fluß nur in dem hinzugefügten Blindluftspalt erzeugen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut lich beim Lesen der folgenden Beschreibung einer zweckmä ßigen Ausführung, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht einer zweckmäßigen Ausführung des elektromagnetischen Motors zur Er läuterung seiner verschiedenen Teile und Kompo nenten;

Fig. 2 eine Stirnansicht des rechten Endes des in Fig. 1 gezeigten Motors;

Fig. 3 eine Teilquerschnittsansicht des Motors längs der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 1, die den Anker in einer Mittelstellung relativ zum Körper zeigt, so daß beide Wirkluftspalte im we sentlichen die gleiche Länge besitzen, und die den Verlauf des magnetischen Flusses zeigt, der von den Permanentmagneten durch die Wirk- und Blindluftspalte hindurch erzeugt wird; und

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich derjenigen von Fig. 4, die jedoch die Wirkung des Spulenmagnetisie rungsstroms auf die Magnetflußwege durch den Mo tor zeigt.

Im folgenden bezeichnen gleiche Bezugszeichen die glei chen Strukturelemente, Abschnitte oder Flächen, soweit diese Elemente, Abschnitte oder Flächen in der Beschrei bung beschrieben oder erläutert werden. Soweit nicht anders angegeben, soll die Zeichnung in Verbindung mit der Beschreibung gelesen und als Teil der gesamten Anmel dung angesehen werden. In der folgenden Beschreibung beziehen sich die Ausdrücke "horizontal", "vertikal", "links", "rechts", "oben", und "unten" sowie ihre adjekti vischen und adverbialen Ableitungen einfach auf die Orientierung der gezeigten Struktur in bezug auf die dem Leser gegenüberliegende Zeichnung. Ähnlich bezeichnen die Ausdrücke "einwärts" und "auswärts", allgemein die Orien tierung der Oberfläche relativ zu ihrer Erstreckungs- oder Drehachse.

In der Zeichnung und insbesondere in Fig. 1 ist ein verbesserter elektromagnetischer Motor der Erfindung gezeigt, dessen derzeit bevorzugte Ausführung allgemein mit 10 bezeichnet ist. Der Motor enthält einen Körper 11 mit horizontaler Erstreckung längs der Achse x-x und einer dazwischen horizontal sich erstreckenden ringförmi gen Kammer 12, einen Anker 13, der in dieser Kammer 12 in der Weise angeordnet ist, daß er relativ zum Körper 11 in Richtung der Achse x-x eine Linearbewegung ausführen kann, ein stromleitendes Element 14, das am Anker befe stigt ist, einen linken Permanentmagneten 15 _L, einen rechten Permanentmagneten 15 _R, eine Antriebsstange 17, ein Paar linker und rechter Federn 18 _L bzw. 18 _R, die die Antriebsstange 17 in eine neutrale oder mittlere Stellung zurückstellen und den Anker 13 in der ringförmigen Kammer 12 unterstützen, sowie eine elektromagnetische Spule 20. Die Magneten 15 _L und 15 _R sind an einem inneren Abschnitt des Körpers koaxial angebracht.

Der Körper 11 bildet eine Baueinheit aus mehreren Kompo nenten und enthält linke und rechte Polstücke 21 _L bzw. 21 _R, die längs der Achse x-x axial beabstandet sind, ein hohlzylindrisches Außengehäuse 23, das dazwischen ange ordnet ist, ein linkes Mittelpolstück 24 und ein rechtes Mittelpolstück 25. Das linke Polstück 21 _L ist ein spezi ell konfiguriertes festes Element, das eine axiale Durch gangsbohrung in Richtung der Achse x-x enthält und allge mein durch eine nach links weisende vertikale ringförmige Fläche, eine einwärts und nach links weisende kegel stumpfförmige Fläche, eine einwärts weisende, horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts weisende vertikale ringförmige Fläche, eine auswärts weisende, horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts weisende, vertikale ringförmige Fläche, eine einwärts weisende horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts weisende vertikale ringförmige Fläche, eine auswärts weisende horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts weisende vertikale ringförmige Fläche und eine auswärts weisende horizontale zylindrische Fläche definiert ist.

Das rechte Polstück 21 _R ist im wesentlichen ein Spiegel bild des linken Polstücks 21 _L und muß daher nicht spezi ell definiert werden, wobei gleiche Bezugszeichen mit dem Index "R" versehen sind, um entsprechende Teile, Ab schnitte und Flächen des rechten Polstücks 21 _R zu be zeichnen.

Das Außengehäuse 23 besitzt die Form eines dünnwandigen Zylinders, der sich horizontal längs der Achse x-x er streckt und nacheinander durch eine nach links weisende vertikale ringförmige Fläche, eine einwärts weisende horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts wei sende vertikale ringförmige Fläche und eine auswärts weisende horizontale zylindrische Fläche begrenzt ist.

Der Anker 13 ist ein hohlzylindrisches Eisenelement, das sich längs der Achse x-x erstreckt und eine nach links weisende vertikale ringförmige Fläche, eine einwärts weisende horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts weisende vertikale ringförmige Fläche und eine auswärts weisende horizontale zylindrische Fläche be sitzt. Das stromleitende Element 14 ist eine dünnwandige zylindrische Schale, die sich längs der Achse x-x axial erstreckt. Das Element 14 besitzt eine einwärts weisende horizontale zylindrische Fläche und eine auswärts wei sende horizontale zylindrische Fläche. Der Anker 13 umgibt das Element 14 koaxial und ist an diesem befe stigt.

Die Antriebsstange 17 ist ein im wesentlichen zylindri sches festes Element, das sich längs der Achse x-x er streckt. Die Antriebsstange 17 verläuft durch die aufein ander ausgerichteten axialen Durchgangsbohrungen, die im linken Polstück 21 _L, im rechten Polstück 21 _R, im Magneten 15 _L und im Magneten 15 _R vorhanden sind. Wenn die An triebsstange 17 in der Richtung x-x eine Linearbewegung ausführt, bewegen sich der Anker 13 und das Element 14 mit dieser.

In den Fig. 1 und 3 ist gezeigt, daß die Antriebsstange 17 ein Ankerunterstützungskreuz mit mehreren Speichen 26 enthält. Jede Speiche 26 bildet ein axial verlaufendes Element mit rechtwinkligem Querschnitt mit einem äußeren Ende und einem inneren Ende. Die Speichen 26 sind um die Antriebsstange 17 radial und in Umfangsrichtung beabstan det und so konfiguriert und beschaffen, daß sie das stromleitende Element 14 an der Antriebsstange 17 anbrin gen. Daher ist das leitende Element 14 an der Antriebs stange 17 durch die Speichen 26 in einer Weise ange bracht, die der Weise ähnelt, in der ein Lenkrad an einer Lenksäule angebracht ist.

Wie wiederum in Fig. 1 gezeigt ist, sind am linken und am rechten Ende des Körpers 11 eine linke Feder 18 _L bzw. eine rechte Feder 18 _R vorgesehen. Wie aus Fig. 2 hervor geht, sind die Federn 18 _L und 18 _R sogenannte "S"-Federn, die jeweils einen äußeren Ringabschnitt, einen inneren Ringabschnitt und ein Paar dünner gekrümmter biegsamer Träger umfassen, die die Form des Buchstabens "S" erge ben. Die Träger sind um den inneren Ringabschnitt ange ordnet und erstrecken sich von diesem radial auswärts. Die Träger sind an ihren äußeren Enden mit dem äußeren Ringabschnitt verbunden. Die äußeren Ringabschnitte der Federn 18 _L und 18 _R sind am linken Polstück 21 _L bzw. am rechten Polstück 21 _R befestigt. Die inneren Ringab schnitte sind an der Antriebsstange 17 befestigt, um die Antriebsstange 17 in bezug auf den Körper 11 zu unter stützen. Der Anker 13 und das leitende Element 14 sind ihrerseits ebenfalls an der Antriebsstange 17 angebracht und in bezug auf den Körper 11 unterstützt, so daß eine konstante radiale Länge eines Blindluftspalts 29 auf rechterhalten wird.

Wie am besten aus Fig. 1 hervorgeht, enthält der Motor 10 gemäß der Erfindung eine Anzahl von verschachtelten, konzentrischen hohlzylindrischen Elementen, die durch das linke Polstücke 21 _L und durch das rechte Polstück 21 _R zusammengehalten werden. Beginnend bei der Antriebsstange 17 in Auswärtsrichtung sind die konzentrischen Elemente gegeben durch (a) Permanentmagneten 15 _L und 15 _R zusammen mit linken und rechten Mittelpolstücken 24 bzw. 25, (b) das stromleitende Element 14, (c) den Anker 13, (d) die Spule 20 und (e) das Außengehäuse 23. Diese Elemente werden durch das linke Polstück 21 _L und das rechte Polstück 21 _R, die am linken bzw. am rechten Ende des Außengehäuses 23 angebracht sind, zusammengehalten.

In dieser Baueinheit ist eine ringförmige Kammer 12 ausgebildet, die durch die Spule 20, das linke Polstück 21 _L, den linken Magneten 15 _L, das linke Mittelpolstück 24, das rechte Mittelpolstück 25, den rechten Magneten 15 _R und das rechte Polstück 21 _R begrenzt ist.

Der linke Permanentmagnet 15 _L und der rechte Permanentma gnet 15 _R sind um die Antriebsstange 17 konzentrisch angeordnet und in axialer Richtung zwischen den Polstüc ken 21 _L bzw. 21 _R angeordnet. In dieser Weise sind die Permanentmagneten 15 _L und 15 _R, das linke Mittelpolstück 24 und das rechte Mittelpolstück 25 vom Anker 13 ge trennt, um einen radialen Blindluftspalt 29 mit konstan ter Reluktanz zu definieren. Der radiale Luftspalt 29 besitzt eine langgestreckte ringähnliche Form. In diesem radialen Luftspalt ist das leitende Element 14 angeord net.

Der Anker 13 befindet sich in axialer Richtung zwischen dem linken Polstück 21 _L und dem rechten Polstück 21 _R. Das linke Polstück 21 _L befindet sich gegenüber dem linken Ende des Ankers 13 und ist diesem zugewandt, um einen linken Wirkluftspalt 30 zu definieren. In ähnlicher Weise befindet sich das rechte Polstück 21 _R gegenüber dem rechten Ende des Ankers 13 und ist diesem zugewandt, um einen rechten Wirkluftspalt 31 zu definieren. Der Anker 13 kann sich in der axialen Richtung x-x bewegen, um die Länge der Wirkluftspalte 30 bzw. 31 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Falls der Anker 13 beispielsweise nach links verschoben wird, nimmt die Länge des Wirkluftspalts 30 ab, während die Länge des Wirkluftspalts 31 entsprechend zunimmt. Falls umgekehrt der Anker 13 längs der Achse x-x nach rechts verschoben wird, nimmt die Länge des Wirkluftspalts 31 ab, während die Länge des Wirkluftspalts 30 entsprechend zunimmt. Während dieser Längsverschiebung behält der Blindluftspalt 29 seine konstante radiale Länge bei.

Der Luftspalt 29 ist ein Blindluftspalt mit konstanter Reluktanz, da die radiale Länge und die Querschnittsflä che des Luftspalts 29 im wesentlichen konstant bleiben, wenn sich der Anker 13 relativ zum Körper 11 axial be wegt. Die Luftspalte 30, 31 sind jedoch Wirkluftspalte mit variabler Reluktanz, da sich die Längen dieser Luftspalte bei der Bewegung des Ankers 13 ändern. Wenn sich der Anker 13 beispielsweise relativ zum Körper 11 nach rechts bewegt, nimmt die Länge des Luftspalts 31 ab, weshalb auch seine Reluktanz abgesenkt wird. In ähnlicher Weise nimmt die Länge des Luftspalts 31 zu, wenn sich der Anker 13 relativ zum Körper 11 nach links bewegt, wodurch die Reluktanz des Luftspalts 31 zunimmt.

Die Magneten 15 _L und 15 _R sind zweckmäßig aus einer Sel tenerd-Magnetlegierung wie etwa Samarium-Cobalt mit hoher Reluktanz gebildet. Die beiden Magneten 15 _L und 15 _R sind ringförmige feste Elemente, die sich längs der Achse x-x erstrecken und im allgemeinen gleiche Abmessungen und die gleiche Festigkeit besitzen. Der linke Magnet 15 _L besitzt eine vertikale ringförmige linke Stirnfläche, eine ein wärts weisende horizontale zylindrische Fläche, eine vertikale ringförmige rechte Stirnfläche und eine aus wärts weisende horizontale zylindrische Fläche. Der linke Magnet 15 _L ist so angeordnet und beschaffen, daß er mit dem linken Polstück 21 _L in engem Kontakt ist. Der Magnet 15 _R ist ähnlich wie der Magnet 15 _L konfiguriert und im wesentlichen ein Spiegelbild hiervon.

Wie am besten aus Fig. 1 hervorgeht, ist zwischen den einander zugewandten Südpolen (S) der Magneten 15 _L bzw. 15 _R funktional ein Paar ferromagnetische Mittelpolstücke 24 und 25 angeordnet. Das linke Mittelpolstück 24 und das rechte Mittelpolstück 25 besitzen eine ähnliche Konstruk tion. Beide sind ringförmige Elemente, die sich längs der Achse x-x erstrecken. Insbesondere ist das linke Mittel polstück 24 allgemein durch eine nach links weisende vertikale ringförmige Fläche, eine einwärts weisende horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts wei sende vertikale ringförmige Fläche und eine nach außen weisende horizontale zylindrische Fläche definiert. Das linke Mittelpolstück 24 ist mit dem linken Magneten 15 _L in engem Kontakt.

Das rechte Mittelpolstück 25 besitzt eine zum linken Mittelpolstück 24 ähnliche Konstruktion und ist allgemein durch eine nach links weisende vertikale ringförmige Fläche, eine einwärts weisende horizontale zylindrische Fläche, eine nach rechts weisende vertikale ringförmige Fläche und eine auswärts weisende zylindrische Fläche definiert. Das rechte Mittelpolstück 25 ist zwischen dem rechten Magneten 15 _R und dem linken Mittelpolstück 24 definiert. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besitzt das rechte Mittelpolstück 25 vier radiale Schlitze, die mit dem Bezugszeichen 27 bezeichnet sind und die darin ausge schnitten sind, um einen Zwischenraum für die Speichen 26 zu schaffen. Hierbei sieht das rechte Mittelpolstück 25 in gewisser Weise wie eine Kronenmutter aus. Die Speichen 26 sind mit geeignetem Zwischenraum in den Schlitzen 27 vorgesehen, damit sich das leitende Element 14 in Längs richtung und in Drehrichtung bewegen kann.

Das linke Polstück 21 _L, das Außengehäuse 23, das rechte Polstück 21 _R, der Anker 13, das linke Mittelpolstück 24 und das rechte Mittelpolstück 25 sind jeweils aus einem magnetisch leitenden Material wie etwa Eisen hergestellt. Das leitende Element 14 enthält ein elektrisch leitendes Material, zweckmäßig Kupfer.

Die Spule 20 ist ein ringförmiges Element, das sich längs der Achse x-x erstreckt und zwischen dem linken Polstück 21 _L und dem rechten Polstück 21 _R angebracht ist. Die Spule 20 umgibt die Kammer 12 und den Anker 13 und ist auf eine (nicht gezeigte) hohlzylindrische dielektrische Haspel gewickelt, die zwischen der Spule und dem Anker angeordnet ist.

Nun wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen elek tromagnetischen Motors mit interner Wirbelstromdämpfung beschrieben.

Wie in typischen Motoren arbeitet auch der Motor gemäß der Erfindung in der Weise, daß dem magnetischen Fluß der Permanentmagneten in den Wirkluftspalten ein durch die Spule induzierter Fluß überlagert wird. Wie am besten aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, enthalten die Luftspalte 30 und 31 einen Netto-Magnetfluß, der die algebraische Summe aus einem den beiden Permanentmagneten 15 _L und 15 _R zu schreibbaren konstanten Fluß und aus einem der Spule 20 zuschreibbaren veränderlichen Fluß ist. Um der Deutlich keit willen ist das leitende Element 14, obwohl vorhan den, in den Fig. 4 und 5 nicht dargestellt. Es wird angemerkt, daß der Blindluftspalt 29 einen nur den Perma nentmagneten 15 _L und 15 _R zuschreibbaren konstanten magne tischen Fluß enthält. Der durch die Spule 20 erzeugte veränderliche Fluß kreuzt den Blindluftspalt 29 nicht. Die resultierende Addition und Subtraktion des Flusses bringt die magnetischen anziehenden Kräfte auf den Anker 13 effektiv ins Ungleichgewicht, wodurch die auf ein Ende ausgeübte Kraft ansteigt, während die Kraft auf das andere Ende abnimmt, was eine Nettoausgangskraft auf den Anker 13 zur Folge hat. Diese Überlagerung der Flüsse ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt, in denen der Anker 13 zen triert dargestellt ist (d. h. die Spalte 30 und 31 besit zen gleiche Längen). Der linke Magnet 15 _L und der rechte Magnet 15 _R erzeugen entgegengesetzt polarisierte innere toroidförmige Flußwege durch den linken Luftspalt 30 bzw.

durch den rechten Luftspalt 31, wie in Fig. 4 durch die Schleifen in Strichlinien dargestellt ist.

In ähnlicher Weise induziert der Stromfluß in der Spule 20 einen äußeren toroidförmigen Flußweg (nicht gezeigt), der die Spule 20 umgibt. Dieser Flußweg verläuft seiner seits durch das Außengehäuse 23, das linke Polstück 21 _L, den Wirkluftspalt 30, den Anker 13, den Wirkluftspalt 31 und das rechte Polstück 21 _R. Es ist wichtig anzumerken, daß, wenn der Strom durch die Spule 20 erhöht oder er niedrigt wird, die Toroidlinien des Flusses um die Spule expandiert bzw. kontrahiert werden, jedoch das leitende Element 14 (um der Deutlichkeit willen weggelassen), das innerhalb des Ankers 13 angeordnet ist, nicht schneiden. Daher induziert der Strom in der Spule keine Wirbel ströme, die mit der dynamischen Änderung des Flusses in Beziehung stehen. Falls das leitende Element 14 außerhalb des Ankers 13 angeordnet wäre, unterläge es einer Wirbel strominduktion und gäbe folglich Anlaß zu unerwünschten Verzögerungen beim Aufbau des Stroms in der Spule 20.

Fig. 5 zeigt die Wirkung, wenn an die Spule 20 der maxi mal vorgesehene Strom geliefert wird. Dieser Maximalstrom erzeugt einen toroidförmigen Fluß um die Spule 20, dessen Größe angenähert gleich der Größe des Flusses ist, der von jedem der Magneten entwickelt wird. Die Nettowirkung verdoppelt den magnetischen Fluß im Spalt 31, wenn die Flüsse addiert werden, und reduziert den magnetischen Fluß im Spalt 30 auf ungefähr null, wenn die Flüsse subtrahiert werden. Der Fluß durch den linken Magnet 15 _L wird effektiv umgelenkt, so daß er durch das Außengehäuse 23 anstatt durch den Spalt 30 verläuft. Wie oben erwähnt worden ist, bleibt der durch jeden der Magneten und folglich durch den festen Blindluftspalt 29 verlaufende Fluß konstant. Eine Bewegung des leitenden Elements 14 durch den Blindluftspalt 29 induziert im Element 14 Wirbelströme und hat eine Wirbelstromdämpfung zur Folge. Im allgemeinen ist eine solche Bewegung zu dem im Blind luftspalt 29 vorhandenen konstanten Fluß im wesentlichen senkrecht. Diese Konfiguration erzeugt Wirbelströme, die von der Geschwindigkeit des Ankers 13 relativ zum Körper 11 abhängen, jedoch von Änderungen des der Spule 20 oder der Ankerstellung zuschreibbaren Flusses nicht abhängen.

Die Bewegung des Ankers 13 (bei Fehlen eines Spulen stroms) hat eine Neuverteilung des Flusses ähnlich dem in Fig. 5 gezeigten Flußlinienmuster zur Folge. Dies zeigt, was geschähe, wenn der Anker 13 nach rechts bewegt würde und die Reluktanz des Luftspalts 31 absinken würde, während die Reluktanz des Luftspalts 30 zunimmt. Wiederum bleibt der Fluß durch den Blindluftspalt 29 konstant.

Die Erfindung umfaßt viele Modifikationen. Die besonderen Werkstoffe, aus denen die verschiedenen Teile und Kompo nenten gebildet sind, sind nicht kritisch und können ohne weiteres geändert werden. Obwohl als bevorzugter magneti scher Werkstoff Samarium-Cobalt angegeben worden ist, kann dieser Werkstoff durch andere Seltenerd-Magnetlegie rungen oder durch andere magnetische Werkstoffe ersetzt werden. Ebenso kann die besondere Form der einzelnen Körperkomponenten vom Fachmann geändert, modifiziert oder abgewandelt werden. Die verschiedenen Komponenten können beliebig entweder zusammenhängend oder voneinander unab hängig sein. Obwohl eine lineare Ausführung der Erfindung offenbart worden ist, kann die Erfindung auch in Rotati onsausführungen konfiguriert sein.

Die Erfindung offenbart im weiteren Sinn einen verbesser ten elektromagnetischen Motor mit interner Wirbelstrom dämpfung, der zahlreiche funktionale Vorteile besitzt. Der Motor kann an viele mögliche Verwendungen wie etwa an die Steuerung der Bewegung oder der Verschiebung eines Ventilelements relativ zu einem Sitz oder einem Anschluß mit erhöhten Dämpfungscharakteristiken angepaßt werden. Diese mögliche Verwendung dient lediglich der Erläuterung und sollte nicht als Einschränkung des Umfangs der fol genden Ansprüche angesehen werden. Die möglichen Verwen dungen und Anwendungen für den verbesserten Motor sind vielfältig und unterschiedlich.

Es können zahlreiche Ausführungen in Betracht gezogen werden, um den im Blindluftspalt 29 vorhandenen Magnet fluß unabhängig vom Fluß in den Wirkluftspalten zu erhö hen. Beispielsweise könnte der Fluß durch Vorsehen zu sätzlicher Permanentmagneten erhöht werden, die gegenüber einem zusätzlichen Mittelpolstück und zwischen den Mit telpolstücken 24 und 25 angeordnet sind. Diese Magneten würden einen zusätzlichen Magnetfluß durch den Blind luftspalt 29 erzeugen, so daß, wenn das leitende Element 14 durch dieses verlängerte Magnetfeld bewegt wird, größere Wirbelströme erzeugt würden, die eine erhöhte Dämpfung der Ankergeschwindigkeit ergäben.

Weiterhin könnte das stromleitende Element viele ver schiedene Konfigurationen besitzen. Obwohl der bevorzugte Werkstoff für dieses Element Kupfer ist, kann irgendein elektrisch leitendes Material wie etwa Aluminium oder irgendeine Legierung mit niedrigem spezifischen Wider stand verwendet werden. Weiterhin kann das stromleitende Element so beschaffen sein, daß es einen unterschiedli chen Dämpfungsgrad besitzt. Beispielsweise können Wirbel ströme entweder durch Stören der Ausbildung kontinuierli cher Kreise oder durch Reduzieren der spezifischen Leit fähigkeit des durch das Magnetfeld bewegten Werkstoffs gesteuert oder unterdrückt werden. Die Wirbelströme können reduziert werden, indem ein axial verlaufendes leitendes Element mit mehreren axialen Schlitzen versehen wird. Diese Schlitze könnten die Wirbelströmungswege unterbrechen und daher den spezifischen elektrischen Widerstand gegenüber dem Wirbelstromfluß erhöhen. Dieser erhöhte Widerstand senkt die Größe der Wirbelströme und daher die Gesamtmotordämpfung ab.

Ebenso kann das leitende Element unterschiedliche Längen und Dicken erhalten, um die darin erzeugten Wirbelströme zu ändern. Weiterhin kann die besondere Konfiguration und Anordnung des leitenden Elements in bezug auf den Blind luftspalt durch jeden Fachmann geändert werden. Das lei tende Element könnte so beschaffen sein, daß es entweder eine Rotationsbewegung oder eine Linearbewegung oder eine Kombination aus beiden ausführt. Es können zahlreiche Konfigurationen und Modifikationen der zweckmäßigen Ausführungsform geschaffen werden, die die Bewegungskom ponente des stromleitenden Elements senkrecht zum magne tischen Fluß abwandeln.

Daher wird der Fachmann, obwohl die momentan bevorzugte Ausführung des elektromagnetischen Motors gezeigt und beschrieben worden ist und mehrere Abwandlungen hiervon diskutiert worden sind, ohne weiteres zugeben, daß ver schiedene zusätzliche Änderungen und Abwandlungen vorge nommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken abzu weichen, der durch die folgenden Ansprüche definiert und differenziert wird.

Claims

1. Motor, mit
einem Anker (13), der so angebracht ist, daß er sich relativ zu einem Körper (11) begrenzt bewegen kann,
einem Permanentmagneten (15 _L, 15 _R) und
einer elektromagnetischen Spule (20),
wobei der Körper (11) und der Anker (13) so beschaffen sind, daß sie einen magnetischen Fluß leiten,
der Anker (13) zusammen mit dem Körper (11) mehrere Wirkluftspalte (30, 31) mit veränderlicher Reluk tanz und wenigstens einen Blindluftspalt (29) mit kon stanter Reluktanz definiert, und
jeder der Wirkluftspalte (30, 31) einen Nettofluß enthält, der die algebraische Summe aus einem dem Magne ten (15 _L, 15 _R) zuschreibbaren Fluß und einem der Spule (20) zuschreibbaren Fluß enthält und der Blindluftspalt (29) nur einen dem Magneten (15 _L, 15 _R) zuschreibbaren Fluß enthält, gekennzeichnet durch ein stromleitendes Element (14), das am Anker (13) befestigt und so angeordnet ist, daß es sich im Blindluftspalt (29) in einer Richtung, die eine zum darin vorhandenen Fluß im wesentlichen senkrechte Komponente besitzt, bewegt, so daß in dem Element (14) Wirbelströme induziert werden, um die Geschwindigkeit des Ankers (13) zu dämpfen, wobei die Elemente des Motors (10) so konfigu riert und angeordnet sind, daß die Wirbelströme von der Geschwindigkeit des Ankers (13) relativ zum Körper (11) abhängen, jedoch von Änderungen des der Spule (20) oder der Position des Ankers zuschreibbaren Flusses unabhängig sind.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Anker (13) relativ zum Körper (11) geradlinig bewegt.

3. Motor, mit
einem Anker (13), der so angebracht ist, daß er sich relativ zu einem Körper (11) begrenzt bewegen kann,
einem Permanentmagneten (15 _L, 15 _R) und
einer elektromagnetischen Spule (20),
wobei der Körper (11) und der Anker (13) so beschaffen sind, daß sie einen magnetischen Fluß leiten, und funktional so angeordnet sind, daß sie auf den Anker (13) in Abhängigkeit vom Strom in der Spule (20) unter schiedliche magnetische Kräfte ausüben, gekennzeichnet durch
ein stromleitendes Element (14), das am Anker (13) in der Weise angebracht ist, daß es sich durch den dem Magneten (15 _L, 15 _R) zuschreibbaren magnetischen Fluß bewegt, um eine Wirbelstromdämpfung für die Geschwindig keit des Ankers (13) hervorzurufen,
wobei die Elemente des Motors (10) so konfigu riert und angeordnet sind, daß der magnetische Fluß, der Änderungen des Stroms in der Spule (20) oder Änderungen der Position des Ankers (13) zuschreibbar ist, nicht durch das leitende Element (14) verläuft.