DE19836516A1 - Elektromagnetischer Linearmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Linear­ motor, insbesondere als Antrieb für ein Proportionalventil, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gattungsgemäßer Linearmotor ist aus der EP 0 569 669 B1 bekannt. Das druckdicht ausgeführte Rohr liegt in einem Ge­ häuse und begrenzt mit diesem einen Aufnahmeraum, in dem zwei axial magnetisierte Permanentmagnete fest gehalten sind. Die Permanentmagnete erstrecken sich axial längs des nicht magnetflußleitenden Zwischenstückes sowie des End­ stückes und in Umfangsrichtung um das Druckrohr, wobei je­ weils zwei Magnetkreise ausgebildet werden. Die Feldlinien eines ersten Permanentmagnetkreises verlaufen über das Mittelstück, den Anker, einen ersten Arbeitsluftspalt und das Endstück; der zweite Permanentmagnetkreis ist über das Mittelstück, den Anker, einen zweiten Arbeitsluftspalt und das andere Endstück geschlossen.

Koaxial zu dem Druckrohr und den Permanentmagneten liegt ein Spulenkörper mit einer elektrischen Spule, deren axiale Länge sich von einem Endstück über die Zwischenstücke und das Mittelstück zum anderen Endstück erstreckt. Bei strom­ durchflossener Spule wird der eine Permanentmagnetkreis ge­ stärkt und der andere geschwächt, wodurch auf den Anker axiale Druckkräfte einwirken und dieser bewegt wird. Soll eine Gegenbewegung eingeleitet werden, muß der Stromfluß in der Spule umgepolt werden.

Bei dem Aufbau dieses bekannten, doppelt wirkenden Linear­ motors muß darauf geachtet werden, daß die Permanent­ magneten geringe Streuung haben, um gleichmäßige Steuerung des Ankers zu gewährleisten. Darüber hinaus baut die Anord­ nung relativ groß im Durchmesser, da Druckrohr, Permanent­ magnete und elektrische Spule koaxial ineinander liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen doppelt wirkenden, elektromagnetischen Linearmotor derart weiter­ zubilden, daß bei einfachem Aufbau und geringer Baugröße unabhängig von der Kraftrichtung jeweils gleiche Hubkräfte zu erzeugen sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Anordnung nur eines Permanentmagneten steht jedem Permanentmagnetkreis die gleiche magnetische Quelle zur Verfügung, so daß sich bei symmetrischem Aufbau der Per­ manentmagnetkreise eine gleiche Flußverteilung ergibt. Dar­ aus ergeben sich auf den Anker in unterschiedlichen Rich­ tungen wirkende, gleich große Kräfte, so daß bei stromlosen Spulen der Anker eine Mittelstellung ohne nennenswerte Krafteinwirkung einnimmt. Zum Antrieb des elektro­ magnetischen, doppelt wirkenden Linearmotors mit einem radial polarisierten Permanentmagneten ist an jedem der axialen Enden des Permanentmagneten eine elektrische Spule angeordnet. Der Spulenkörper der elektrischen Spule ist da­ bei unmittelbar auf dem Druckrohr gehalten, so daß ein geringer Durchmesser der Gesamtanordnung erzielt ist.

Die Feldlinien der Permanentmagnetkreise sind jeweils über einen radial äußeren Abschnitt des Gehäuses geschlossen, wobei innerhalb dieses geschlossenen Permanentmagnetkreises jeweils die elektrische Spule angeordnet ist. Dadurch ist ein verlustarmer Betrieb des Linearmotors bei hoher Funk­ tionsgenauigkeit gegeben.

Bevorzugt ist der Permanentmagnet ein einteiliger, vorzugs­ weise geschlossener Permanentmagnetring; es kann zweckmäßig sein, den Permanentmagneten aus axial polarisierten Ein­ zelmagneten zusammenzusetzen, deren Feldlinien wirkungs­ mäßig ein Magnetfeld bilden, das demjenigen des geschlosse­ nen Permanentmagnetringes entspricht.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse des Linearmotors aus einem becherförmigen Grundkörper ge­ bildet, der von dem Druckrohr durchragt ist. Dabei ist der becherförmige Grundkörper zwischen einer Anlagefläche des Druckrohres und einer auf das Rohr aufgeschraubten Druck­ platte verspannt. Dieser Aufbau ermöglicht die Demontage des Antriebs vom Druckrohr, ohne daß der hydraulische Kreis des geschalteten Ventils geöffnet werden müßte. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Reparatur- und Wartungs­ arbeiten von hohem Nutzen.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Außenmantel eines Endstückes an seinem dem nicht magnetflußleitenden Zwischenstück zugewandten Ende konisch verjüngt, wodurch die jeweiligen Endpole der Permanentmagnetkreise gestaltet sind. Wird zugleich der Anker an seinen den Endstücken zu­ gewandten Enden leicht konisch verjüngt, kann Einfluß auf den Arbeitsspalt zwischen den Endpolen und dem Anker und somit auch auf die Kraft-Wege-Kennlinien des Linearmotors gewünschter Weise genommen werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Anker mit einer Hubstange im Rohr gehalten und geführt, wobei die Hubstange endseitig in vorzugsweise aus Kunststoff be­ stehenden Gleitbuchsen gelagert ist, die jeweils mit radia­ lem Abstand in einer Lageraufnahme des Rohre s fixiert ge­ halten sind. Die durch Temperaturunterschiede auftretenden Dehnungen der Gleitbuchsen können so aufgrund des Spiels nicht zu einer Rückwirkung auf die Lagerflächen führen. Zweckmäßig ist die Gleitbuchse von einem Klemmring fixiert, der axial nach Art eines Stopfens in die Lageraufnahme ein­ gesetzt ist und die Gleitbuchse zwischen der Stirnseite des Klemmrings und einer axialen Endfläche der Lageraufnahme verspannt hält. Dies ermöglicht eine einfache Montage und einfache achsgleiche Ausrichtung des Ankers relativ zum Druckrohr.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weite­ ren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im einzelnen beschriebenes Ausführungs­ beispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen doppelt wirkenden, elektromagnetischen Linearmotor,

Fig. 2 in vereinfachter Darstellung den Verlauf der magne­ tischen Flußlinien zweier Permanentmagnetkreise bei stromlosen Spulen,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung gemäß Fig. 2 mit einer stromdurchflossenen Spule.

Der in Fig. 1 im Schnitt gezeigte, doppelt wirkende Linear­ motor 10 dient als Antrieb für ein nicht näher dargestell­ tes Proportionalventil, dessen Gehäuse über einen Anschluß­ abschnitt 4 mit dem erfindungsgemäßen Linearmotor zu ver­ binden ist. Hierzu weist der Anschlußabschnitt 4 ein Außen­ gewinde 13 auf.

Der Anschlußabschnitt 4 bildet das offene Ende eines druck­ mitteldicht ausgeführten, zylindrischen Rohres 12, welches aus einem magnetflußleitenden Endabschnitt 14, der den An­ schlußabschnitt 4 aufweist, einem magnetflußleitenden Mittelstück 16 und einem magnetflußleitenden Endstück 18 zusammengesetzt ist. Das Mittelstück 16 schließt über nicht magnetflußleitende Zwischenstücke 15 und 17 an die End­ stücke an.

Zur technischen Herstellung eines solchen Druckrohres 12 können zusammengesteckte Einzelteile verlötet und an­ schließend bearbeitet werden, wobei man diese Einzelteile auch mittels Laser- oder Elektronenstrahlschweißung ver­ binden oder das Druckrohr durch Auftragsschweißen von un­ magnetischen Zonen entsprechend dem Zwischenstück 15 und 17 auf einen Schweißrohling herstellen und anschließend mecha­ nisch bearbeiten kann.

Auf das Druckrohr 12 wird ein aus einem becherförmigen Grundkörper bestehendes Gehäuse 37 aufgesetzt, wobei das Druckrohr 12 den Boden des Gehäuses 37 durchragt; der Boden liegt an einer ringförmigen Stirnwand 57 des im Außendurch­ messer größer als das Druckrohr 12 ausgebildeten Anschluß­ abschnitts 4 an. Das offene Ende des Gehäuses 37 wird durch eine Polplatte 38 verschlossen und die Gesamtanordnung mit­ tels einer mutternähnlichen Druckplatte 45 gegen die Ring­ fläche 57 axial verspannt, wobei die Druckplatte auf ein Außengewinde 8 des dem Anschlußabschnitt 4 abgewandten Endes des Druckrohres 12 aufgeschraubt ist.

Zur Abdichtung nach außen ist zwischen der mutternähnlichen Druckplatte 45 und der Stirnseite des Gehäuses 37 ein O-Ring 53, zwischen dem Boden des becherförmigen Gehäuses 37 und der Ringfläche 57 ein O-Ring 52 angeordnet. Die O-Ringe 52 und 53 liegen in entsprechenden Aufnahmenuten.

Zwischen dem Grundkörper des Gehäuses 37 und dem koaxial dazu liegenden Druckrohr 12 ist ein Aufnahmeraum 11 ge­ bildet, in dem etwa mittig am Außenumfang des Mittelstückes 16 des Druckrohres 12 ein radial polarisierter Permanent­ magnet 43 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 43 liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel mit der den Nordpol bildenden Innenfläche am Außenumfang des Mittelstückes 16 an; seine den Südpol bildende Außenfläche liegt am Innenmantel des Grundkörpers des Gehäuses 37 an. Der Permanentmagnet 43 teilt den Aufnahmeraum 11 in zwei Kammern, in denen jeweils eine auf einem Spulenkörper 41, 42 gewickelte elektrische Spule angeordnet ist. An beiden axialen Enden des Per­ manentmagneten 43 liegt somit eine elektrische Spule 39, 40.

Die axiale Länge der Spulenkörper 41, 42 sowie die axiale Länge des Permanentmagneten sind derart aufeinander abge­ stimmt, daß eine axial spielfreie Halterung nach Ver­ schließen des Gehäuses 37 durch die Polplatte 38 gewähr­ leistet ist.

Die Anschlüsse 46, 47; 48, 49 der elektrischen Spulen 39, 40 sind durch Bohrungen 50, 51 im Gehäuse 37 nach außen ge­ führt.

Das zylindrische Druckrohr 12 hat einen mehrfach gestuften Innendurchmesser; das im Anschlußabschnitt 4 abgewandte Endstück 18 hat einen Bohrungsabschnitt 5 kleineren Durch­ messers, an den in Richtung auf den Anschlußabschnitt 4 eine im Durchmesser erweiterte Bohrung als Lageraufnahme 6 anschließt. An die Lageraufnahme 6 schließt ein im Durch­ messer nochmals erweiterter Bohrungsabschnitt an, der einen Aufnahmeraum 7 für einen im Druckrohr 12 angeordneten Anker 22 bildet. Der Aufnahmeraum 7 endet in einem nochmals er­ weiterten Bohrungsabschnitt 2, der im Anschlußabschnitt 4 liegt.

Der Aufnahmeraum 7 ist durch einen Verschlußkern 19 ver­ schlossen, der eine zentrale durchgehende Bohrung aufweist, die an ihrem dem Aufnahmeraum 7 zugewandten Ende in einem erweiterten Abschnitt endet, der eine Lageraufnahme 3 bildet.

Der radial mit geringem Spiel im Aufnahmeraum 7 des Druck­ rohrs 12 liegende Anker 22 ist über axiale Hubstangen 23, 28 in Gleitbuchsen 24, 25 gelagert, die in den Lagerauf­ nahmen 3, 6 fixiert sind.

Die Gleitbuchsen 24, 25 liegen mit radialem Spiel s in den Lageraufnahmen 3, 6, so daß Gleitbuchsen aus Kunststoff einsetzbar sind. Eventuell durch Temperaturschwankungen mögliche Ausdehnungen des Lagers sind durch das Spiel s ohne Rückwirkung auf die Lagerung möglich. Die Fixierung der aus Kunststoff bestehenden Gleitbuchsen 24, 25 erfolgt durch Klemmringe 26, 27, die stopfenartig in die Lagerauf­ nahmen 3, 6 eingedrückt werden und mit deutlichem radialen Spiel zu den Hubstangen 28, 23 liegen. Die Gleitbuchsen 24, 25 werden zwischen der axialen Stirnseite des Klemmrings 26, 27 und der gegenüberliegenden axialen Endfläche der Lageraufnahme 3, 6 verspannt, wodurch sie axial wie auch radial fixiert sind. Die axiale Endfläche der Lageraufnahme ist durch die Ringfläche gebildet, die sich aufgrund des Durchmessersprungs von der Bohrung zur Lageraufnahme er­ gibt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, hat der Klemmring 26, 27 auf der der Gleitbuchse 24, 25 zugewandten Stirnfläche rastförmige Erhebungen, welche sich beim Eindrücken der Klemmringe in die Lageraufnahmen axial in die Gleitlager 24, 25 ein­ graben, um nicht nur eine kraftschlüssige radiale Fixie­ rung, sondern auch eine formschlüssige radiale Fixierung zu erhalten. Die Klemmringe 26, 27 weisen einen radial äußeren Bund 29, 30 auf, der die Einschubtiefe des Klemmrings in die Lageraufnahme 3, 6 begrenzt. Der jeweilige Bund 29, 30 der Klemmringe 26, 27 kann ferner als Hubendanschlag für Anker 22 genutzt werden.

Die Hubstangen 23, 28 sind einteilig mit dem Anker 22 aus­ gebildet und weisen eine zum Anschlußabschnitt 4 offene Sacklochbohrung 32 auf, die über Querbohrungen 33, 34, 35 mit den jeweiligen Bohrungsabschnitten 6, 7 des Druckrohres 12 verbunden ist. Auf diese Weise ist bei bewegtem Anker 22 Druckausgleich zwischen den Räumen gegeben.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ragt in die durchgehende Zentralbohrung des Anschlußkerns 19 ein Paßstift 60, der in einen zum Anschlußabschnitt 4 offenen Axialschlitz 31 ein­ greift und eine Drehsicherung für den Anker 22 bildet.

Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, bilden sich aufgrund der Anordnung des radial polarisierten Permanentmagneten 43 und der Ausbildung des Druckrohres 12 in Verbindung mit dem Gehäuse 37 zwei Permanentmagnetkreise A und B aus. Der magnetische Fluß des ersten Permanentmagnetkreises A fließt in der gezeigten Mittelstellung des Ankers 22 über das Mit­ telstück 16 und den Übergangsluftspalt 55 (Fig. 1) durch magnetflußleitenden Anker 22, tritt am Pol 21 des End­ stücks 18 in das Endstück ein und wird nach Übertritt des Übergangsluftspalts 54 (Fig. 1) über die Polplatte 38 und das magnetflußleitende Gehäuse 37 zum Permanentmagneten 43 zurückgeführt; die Feldlinien des Permanentmagnetkreises A sind geschlossen.

Die Feldlinien des Permanentmagnetkreises B verlaufen über das Mittelstück und den Übergangsluftspalt 55 (Fig. 1) in Anker 22, von dort über den Endpol 20 des Endstückes 14 in das Endstück 14, über den Übergangsluftspalt 56 in den Boden des becherförmigen Gehäuses 37 und über dieses zurück zum Permanentmagneten 43. Die Feldlinien des Permanent­ magnetkreises B sind geschlossen. Fig. 2 zeigt die Mittel­ stellung des Ankers 22.

In Fig. 3 ist die Spule 40 stromdurchflossen und verstärkt insoweit den magnetischen Fluß im Magnetkreis B. Dadurch wird der magnetische Fluß im Magnetkreis A geschwächt und bewirkt im Bereich des Poles 20 einen entsprechenden, star­ ken magnetischen Fluß und entsprechende Kräfte, wodurch der Anker 22 in Pfeilrichtung C bewegt wird.

Die durch die Pole 20, 21 bestimmte Kraft-Weg-Kennlinie kann durch entsprechende geometrische Gestaltung der Pole leicht an bestehende Einsatzbedingungen angepaßt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft der Außenmantel eines Endstückes 14, 18 an seinem den nicht magnetfluß­ leitenden Zwischenstück 15, 17 (Fig. 1) zugewandten Ende konisch verjüngt auf den Innenmantel zu. Die Pole 20, 21 weisen somit eine schmale Ringkante auf, welche etwa auf Höhe des Außendurchmessers des Ankers liegt. Bevorzugt ist dieser an seinem den Polen 20, 21 zugewandten Enden leicht konisch verjüngt ausgebildet, wodurch mittels einfacher konstruktiver Maßnahmen eine vielfältige Beeinflussung der Kraft-Weg-Kennlinie möglich ist.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Permanentmagnet 43 bevorzugt ein einteiliger, über den Umfang geschlossener Permanentmagnetring; es kann zweckmäßig sein, den Per­ manentmagneten aus über den Umfang verteilt angeordneten, axial polarisierten Einzelmagneten 43' zusammenzusetzen, die gemeinsam ein Magnetfeld erzeugen, dessen Feldlinien wirkungsmäßig denjenigen des geschlossenen Permanentmagnet­ rings entsprechen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der im Endstück mit geringstem Durchmesser ausgebildete Bohrungsabschnitt 5 nach außen offen gestaltet. Im Ende 36 ist ein Gewinde geschnitten, in welches - vorteilhaft unter Zwischenlegung einer Dicht­ scheibe - eine Schraube 44 einschraubbar ist. Die Schraube kann derart ausgeführt sein, daß sie als Axialanschlag für die Hubstange 23 wirkt und zur axialen Ausrichtung des An­ kers 22 in seiner linken Endlage dient. Gleichzeitig dient die Schraube 44 als Entlüftungsschraube; über die im Ende 36 ausgeführte Öffnung kann ferner eine manuelle Not­ betätigung des Ankers erfolgen, zweckmäßig durch eine manuelle Vorrichtung zur Handnotbetätigung. Auch ist der Anschluß eines Wegsensors an der Öffnung im Ende 36 zweck­ mäßig.

Während die Arbeitsluftspalte 58, 59 durch die Konizität der Ankerenden und die Ausgestaltung der Endpole 20, 21 entsprechend den gewünschten Kraft-Weg-Kennlinien konstruk­ tiv veränderbar sind, sind die Übergangsluftspalte 54, 55, 56 möglichst gering und damit verlustarm auszuführen.

Claims (10)

1. Elektromagnetischer Linearmotor, insbesondere als An­ trieb für ein Proportionalventil, bestehend aus einem in einem hülsenförmigen Rohr (12) -axial verschieblich geführten Anker (22), wobei das Rohr (12) aus magnet­ flußleitenden Endstücken (14, 18) und einem magnetfluß­ leitenden Mittelstück (16) besteht, das mit den End­ stücken (14, 18) über nicht magnetflußleitende Zwischenstücke (15, 17) verbunden ist, mit einem Ge­ häuse (37), welches das Rohr (12) umgibt und mit diesem einen Aufnahmeraum (11) begrenzt, wobei in dem Auf­ nahmeraum (11) ein das Rohr (12) umgebender Permanent­ magnet (43) sowie eine das Rohr (12) umgebende elek­ trische Spule (39, 40) angeordnet sind, mit einem ersten Permanentmagnetkreis (A), dessen Feldlinien über das Mittelstück (16), den Anker (22), einen ersten Arbeitsluftspalt (59) und das eine Endstück (18) ge­ schlossen sind, sowie mit einem zweiten Permanent­ magnetkreis (B), dessen Feldlinien über das Mittelstück (16), den Anker (22), einen zweiten Arbeitsluftspalt (58) und das andere Endstück (14) geschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß beide Permanentmagnetkreise (A, B) von einem am Außenumfang des Mittelstückes (16) angeordneten, radial polarisierten Permanentmagneten (43) erzeugt sind und an den axialen Enden des Per­ manentmagneten (43) je eine elektrische Spule (39, 40) angeordnet ist.

2. Linearmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldlinien der Per­ manentmagnetkreise (A, B) über einen radial äußeren Ab­ schnitt des Gehäuses (37) geschlossen sind.

3. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (43) ein einteiliger, vorzugsweise geschlossener Permanent­ magnetring ist.

4. Linearmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet aus über den Umfang des Mittelstücks verteilt angeordneten, axial polarisierten Einzelmagneten (43') zusammen­ gesetzt ist.

5. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (37) aus einem becherförmigen Grundkörper besteht, der von dem Rohr (12) durchragt ist, und zwischen einer Anlagefläche (57) des Rohres (12) und einer am Rohr (12) befestig­ ten, vorzugsweise aufgeschraubten Druckplatte (45) ver­ spannt ist.

6. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel eines End­ stückes (14, 18) an seinem dem nicht magnetflußleiten­ den Zwischenstück (15, 17) zugewandten Ende konisch verjüngt auf den Innenmantel zuläuft.

7. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker an seinen den Endstücken (14, 18) zugewandten Enden leicht konisch verjüngt ist.

8. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (22) mit einer Hubstange (23, 28) im Rohr (12) gehalten und geführt ist, wobei die Hubstange (23, 28) endseitig in vorzugs­ weise aus Kunststoff bestehenden Gleitbuchsen (24, 25) gelagert ist, die jeweils mit radialem Abstand (s) in einer Lageraufnahme (3, 6) des Rohres (12) fixiert ge­ halten sind.

9. Linearmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitbuchse (24, 25) von einem Klemmring (26, 27) fixiert ist, der axial nach Art eines Stopfens in die Lageraufnahme (3, 6) eingesetzt ist, und die Gleitbuchse (24, 25) zwischen der Stirnseite des Klemmrings (26, 27) und einer axia­ len Endfläche der Lageraufnahme (3, 6) verspannt ge­ halten ist.

10. Linearmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (12) auf seinem dem Anschlußende abgewandten Ende (36) durch eine Ver­ schlußschraube (44) verschlossen ist, die vorzugsweise als Axialanschlag für die Hubstange (23) vorgesehen ist.