DE19839464A1 - Elektrodynamischer Aktuator mit schwingendem Feder-Masse-System - Google Patents

Abstract

Aktuator 2, der folgende Bestandteile enthält: DOLLAR A - mindestens einen Magneten 4a, 4b mit einer vorgegebenen Magnetisierungsrichtung DOLLAR A - eine elektrisch leitfähige Spule 6, deren Längsachse weitgehend senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des Magneten 4a, 4b orientiert ist und durch die ein elektrischer Strom treibbar ist, wobei die Spule 6 in Magnetisierungsrichtung des Magneten 4a, 4b versetzt derartig neben dem Magneten 4a,4b angeordnet ist, daß zwischen der Spule 6 und dem Magneten 4a, 4b ein Luftspalt 8 verbleibt und daß im statischen Zustand des Aktuators 2 der Magnet 4a, 4b, in Längsrichtung der Spule 6 gesehen, über die Enden der Spule 6 hinausragt DOLLAR A - einen ferromagnetischen Kern 10 hoher Permeabilität, um den die Spule 6 gewickelt ist und der in Längsrichtung der Spule 6 gesehen, oberhalb und unterhalb der Spule 6 in kragenartigen Vorsprüngen 12a, 12b aus ferromagnetischem Material hoher Permeabilität endet, DOLLAR A wobei DOLLAR A - der Magnet 4a, 4b in einen ferromagnetischen Mantel 14 hoher Permeabilität eingebettet ist, der zumindest die der Spule 6 abgewandte Fläche 16 des Magneten 4a, 4b und, in Längsrichtung der Spule 6 gesehen, die obere 18 und untere Fläche 20 des Magneten 4a, 4b zumindest bereichsweise bedeckt, und daß DOLLAR A - entweder der eingebettete Magnet 4a, 4b statisch gelagert ist und die Spule 6 inklusive des Kerns 10 derart federnd gelagert ist, daß die Spule 6 inklusive des Kerns 10 Schwingungen vollführen kann, wenn durch die Spule 6 ein Wechselstrom ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator, der folgende Bestandteile enthält:

• - mindestens einen Magneten mit einer vorgegebenen Magnetisierungsrichtung,
• - eine elektrisch leitfähige Spule, deren Längsachse weitgehend senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des Magneten orientiert ist und durch die ein elektrischer Strom treibbar ist, wobei die Spule in Magnetisierungsrichtung des Magneten versetzt derartig neben dem Magneten angeordnet ist, daß zwischen der Spule und dem Magneten ein Luftspalt verbleibt und daß im statischen Zustand des Aktuators der Magnet, in Längsrichtung der Spule gesehen, über die Enden der Spule hinausragt,
• - einen ferromagnetischen Kern hoher Permeabilität, um den die Spule gewickelt ist und der, in Längsrichtung der Spule gesehen, oberhalb und unterhalb der Spule in kragenartigen Vorsprüngen aus ferromagnetischem Material hoher Permeabilität endet.

Aktuatoren der eingangs genannten Art enthalten ein schwingungsfähiges Masse- Federsystem, das zu Schwingungen angeregt wird, wenn durch die elektrisch leitfähige Spule ein Wechselstrom getrieben wird. Die Aktuatoren werden zu den unterschiedlichsten Zwecken verwendet, beispielsweise als Linearmotoren in Pumpen, als Schwingungserzeuger oder als Schwingungstilger. Im zuletzt genannten Fall steht ein Aktuator der eingangs genannten Art mit einem schwingenden Bauteil in mechanischer Wirkverbindung und in dem Aktuator werden Schwingungen erzeugt, die den Schwingungen des Bauteils überlagert werden. Bei geeigneter Wahl von Amplitude, Frequenz und Phase der in dem Aktuator erzeugten Schwingungen werden die Schwingungen des Bauteils reduziert bzw. getilgt.

Aus der DE 43 01 845 C1 ist ein Aktuator bekannt, der als aktiver Schwingungstilger für ein in einer hin- und hergehenden Bewegung befindliches Maschinenteil verwendet wird. Der aktive Schwingungstilger umfaßt eine an dem Maschinenteil befestigte Tragplatte, auf der eine elektrisch leitfähige Tauchspule unbeweglich angeordnet ist. Die Tauchspule ist radial innen und radial außen von einem Topfmagneten konzentrisch umschlossen. Der Topfmagnet ist mit Hilfe von Federelementen federnd mit der Tragplatte des aktiven Schwingungstilgers verbunden und wird durch eine parallel zur Achse der Tauchspule ausgerichtete Führung geführt. Wird durch die elektrisch leitfähige Tauchspule ein Wechselstrom getrieben, so beginnt der Topfmagnet zu schwingen. Die Schwingungen des Topfmagneten werden den Schwingungen des Maschinenteils überlagert, so daß es zu einer Reduzierung bzw. zu einer Tilgung dieser kommt.

Der aus der DE 43 01 845 C1 bekannte aktive Schwingungstilger weist einen relativ einfachen Aufbau und ein weitgehend lineares Betriebsverhalten durch eine stets gleichbleibende Spaltbreite des Luftspalts, die durch die Führung des Topfmagneten gewährleistet wird, auf. Es ist jedoch festzustellen, daß die mit dem Topfmagneten erzeugbare Tilgerkraft in Relation zur Baugröße relativ klein ist, da in dem aktiven Schwingungstilger nur relativ kleine periodische Erregerkräfte erzeugbar sind und die Tilgerkraft proportional zur Amplitude der Erregerkraft ist. Als Erregerkraft wirkt in dem Schwingungstilger nämlich ausschließlich eine elektrodynamische Kraft, die bei einem Stromfluß durch die Tauchspule zwischen der Tauchspule und dem Topfmagneten entsteht. Da die in einem Schwingungstilger erzeugte Tilgerkraft ebenfalls proportional zu der Größe der schwingenden Masse ist, ließe sich dieses Problem grundsätzlich durch eine Vergrößerung des Topfmagneten lösen. Dafür steht jedoch nicht bei allen Anwendungen des aktiven Schwingungstilgers ein genügend großer Bauraum zur Verfügung. Das Problem ließe sich grundsätzlich ebenfalls dadurch lösen, daß man die Eigenfrequenz des schwingenden Feder-Masse-Systems in den zu tilgenden Frequenzbereich legt, da in diesem Fall die Amplitude der Trägheitsmasse bei entsprechend kleiner Dämpfung sehr große Werte annimmt. Je geringer die Dämpfung ist, desto kleiner wird jedoch auch die Bandbreite der gewünschten Resonanzüberhöhung, so daß man nur in einem kleinen Frequenzbereich große Tilgerkräfte hat. Zusammenfassend ist festzustellen, daß mit Hilfe des aus der DE 43 01 845 C1 bekannten aktiven Schwingungstilgers bei einem vorgegebenen Bauvolumen des schwingenden Systems (d. h. bei einer vorgegebenen Masse des Topfmagneten) nur relativ kleine Tilgerkräfte erzeugt werden können. Somit können auch nur relativ kleine Kräfte getilgt werden.

Aus dem Aufsatz "Modeling and Analysis of a new Linear Actuator" von Renato Cadson, Nelson Sadowski Alberto M. Beckert, Nelson J. Batistela (veröffentlicht bei der Industry Applications Conference 1995, 30. IAS Meeting IAS' 95, Conference Record of the 1995 IEEE, 812.10.1995, Orlando, Florida) ist ein linearer Aktuator der eingangs genannten Art bekannt, der zwei quaderförmige Permanentmagneten aufweist, zwischen denen eine elektrisch leitfähige Spule angeordnet ist, die auf einen doppel-T-förmigen Eisenkern gewickelt ist. Die Magnetisierung der Permanentmagnete weist auf die zwischen den Permanentmagneten angeordnete elektrisch leitfähige Spule und die - in Längsrichtung der Spule gesehen - oberen und unteren Flächen der Permanentmagnete sind mit Eisen bedeckt. Die beiden quaderförmigen Permanentmagnete sind wiederum zwischen zwei quaderförmigen Eisenblöcken angeordnet. Ferner sind die Permanentmagnete und die sie am oberen und unteren Ende bedeckende Flußleitstücke mit Hilfe von Spiralfedern federnd gelagert, wohingegen die übrigen Bestandteile des linearen Aktuators statisch gelagert sind. Wird durch die elektrisch leitfähige Spule ein Wechselstrom getrieben, so werden die federnd gelagerten Permanentmagnete zu Schwingungen angeregt.

In dem linearen Aktuator gemäß dem oben genannten Aufsatz können große äußere Erregerkräfte erzeugt werden, da zwischen den statisch gelagerten und federnd gelagerten Teilen des Aktuators neben elektrodynamischen Kräften zusätzlich magnetische Reluktanzkräfte wirken, wobei die genannten Kräfte alle in die gleiche Richtung wirken und sich zu einer großen Gesamtkraft addieren. Somit können in dem linearen Aktuator gemäß dem oben genannten Aufsatz bereits mit relativ kleinen Baugröße große Erregerkräfte erzeugt werden. Es ist jedoch festzustellen, daß der aus dem oben genannten Aufsatz bekannte lineare Aktuator einen komplizierten Aufbau aufweist, da er eine große Anzahl von Teilen enthält, die jeweils durch Luftspalte voneinander getrennt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator zu schaffen, der einen einfachen Aufbau aufweist und in dem große Erregerkräfte erzeugt werden können.

Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 wird ausgehend von einem Aktuator der eingangs genannten Art die Aufgabe dadurch gelöst, daß

• - der Magnet in einen ferromagnetischen Mantel hoher Permeabilität eingebettet ist, der zumindest die der Spule abgewandte Fläche des Magneten und, in Längsrichtung der Spule gesehen, die obere und untere Fläche des Magneten, zumindest bereichsweise, bedeckt und daß
• - entweder der eingebettete Magnet statisch gelagert ist und die Spule inklusive des Kerns derart federnd gelagert ist, daß die Spule inklusive des Kerns Schwingungen vollführen kann, wenn durch die Spule ein Wechselstrom getrieben wird,
• - oder die Spule inklusive des Kerns statisch gelagert ist und der eingebettete Magnet derart federnd gelagert ist, daß er Schwingungen vollführen kann, wenn durch die Spule ein Wechselstrom getrieben wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind darin zu sehen, daß der Aktuator einen einfachen Aufbau aufweist, da er nur wenige Bestandteile enthält. So besteht der Aktuator im einfachsten Fall nur aus zwei Teilen, nämlich aus der um den Kern gewickelten Spule und aus dem Magneten, wobei eines der beiden Bestandteile des Aktuators federnd gelagert ist. Trotz dieses einfachen Aufbaus können innerhalb des Aktuators hohe Erregerkräfte erzeugt werden, da in dem Aktuator neben den elektrodynamischen Kräften auch gleichgerichtete magnetische Reluktanzkräfte wirken, wenn durch die elektrisch leitfähige Spule ein Wechselstrom getrieben wird (näheres siehe Figurenbeschreibung). Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß der Aktuator nur einen Luftspalt zwischen dem bzw. den Magneten und der elektrisch leitfähigen Spule aufweist. Die Anzahl der Luftspalte ist also gegenüber den aus dem Aufsatz "Modeling an Analysis of a new Linear Actuator" bekannten Aktuatoren verringert. Aufgrund der geringen Anzahl der Luftspalte kommt es in dem Aktuator nur zu geringen Magnetfeldflußverlusten, so daß das erzeugte Magnetfeld also besser genutzt wird.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 2 enthält der Aktuator folgende Bestandteile:

• - einen ringförmigen Magneten mit einer Magnetisierung in radialer Richtung,
• - eine elektrisch leitfähige Spule, deren Längsachse senkrecht zu der radialen Richtung der Magnetisierung angeordnet ist und die von dem ringförmigen Magneten konzentrisch derart umschlossen wird, daß zwischen dem Magneten und der Spule ein Luftspalt verbleibt.

Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist darin zu sehen, daß der Aktuator einen rotationssymmetrischen Aufbau zur Längsrichtung der Spule und lediglich einen ringförmigen Luftspalt zwischen dem Magneten und der Spule aufweist, so daß das Bauvolumen des Aktuators optimal genutzt wird. Ferner heben sich alle in radialer Richtung auf die Spule wirkenden Kräfte gegenseitig auf und es kommt nur zu geringen Magnetfeldverlusten. Darüber hinaus weist der Aktuator bei entsprechender Lagerung des Magneten bzw. der um den Kern gewickelten Spule ein weitgehend lineares Betriebsverhalten auf, da sich die Luftspaltbreite zwischen den Ringmagneten und der Spule dann nicht ändert. Bezüglich entsprechend ausgebildeter Lagerungen wird auf die Figurenbeschreibung verwiesen.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 3 enthält der Aktuator folgende Bestandteile:

• - zwei voneinander beabstandete weitgehend quaderförmige Magnete mit Stirnflächen, deren Flächennormale in die positive bzw. negative y-Richtung weisen, wobei die Magnetisierung des einen Magneten in die positive y-Richtung und die Magnetisierung des anderen Magneten in die negative y-Richtung weist und wobei jeder Magnet in einen ferromagnetischen Mantel hoher Permeabilität eingebettet ist, der die der Spule abgewandten Stirnflächen des Magneten und die Flächen des Magneten, deren Flächennormalen in die positive bzw. negative z-Richtung weisen, zumindest bereichsweise bedeckt und
• - eine elektrisch leitfähige Spule, deren Längsachse in z-Richtung (bzw. senkrecht zur y-Richtung) orientiert ist und durch die ein elektrischer Strom treibbar ist, wobei die Spule derartig zwischen den Magneten angeordnet ist, daß zwischen der Spule und jedem der beiden Magnete ein Luftspalt verbleibt.

Zur Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels ist ein kartesisches Koordinatensystem eingeführt worden, um die Orientierung der einzelnen Bestandteile des Aktuators zu verdeutlichen. Hierbei wurde davon ausgegangen, daß die Magnetisierungsrichtung der Magnete die y-Richtung festlegen.

Ein Vorteil des zweiten Ausführungsbeispiels ist darin zu sehen, daß die Magneten des Aktuators einen einfachen quaderförmigen Aufbau aufweisen und somit einfach herzustellen sind. Ein weiterer Vorteil des Ausführungsbeispiels ist darin zu sehen, daß der Aktuator einen zur x-z-Ebene, in der die Längsachse der Spule liegt, symmetrischen Aufbau aufweist, so daß sich auch bei diesem Ausführungsbeispiel alle in y-Richtung auf die Spule wirkenden Kräfte gegenseitig aufheben, wenn die beiden Luftspalte zwischen jedem der Magnete und der Spule die gleiche Breite aufweisen. Darüber hinaus weist der Aktuator bei entsprechender Lagerung der Magnete bzw. der um den Kern gewickelten Spule ein weitgehend lineares Betriebsverhalten auf, da sich die Luftspaltbreite zwischen den Magneten und der Spule dann nicht ändert. Bezüglich entsprechend ausgebildeter Lagerungen wird auch hier auf die Figurenbeschreibung verwiesen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 sind der bzw. die Magnete statisch gelagert und die Spule inklusive des Kerns ist mit Hilfe von Spiralfedern, deren Längsrichtung in Richtung der Längsachse der Spule verlaufen, federnd gelagert. Bevorzugt sind die Spiralfedern konzentrisch zur Längsachse der Spule angeordnet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 sind der bzw. die Magnete statisch gelagert und die Spule inklusive des Kerns ist mit Hilfe von Blattfedern federnd gelagert. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß Blattfedern wie Spiralfedern in einer Richtung "nachgiebig" sind, jedoch im Gegensatz zu Spiralfedern senkrecht zu dieser Richtung Kräfte aufnehmen können, ohne sich stark zu verformen. Die Blattfedern werden in dem Aktuator derart ausgerichtet, daß die Richtung der Blattfedern, in der diese weitgehend ohne Verformung Kräfte aufnehmen können, den bzw. die Luftspalte überbrückt (bzw. so, daß ihre nachgiebige Richtung in Richtung der Längsachse der Spule verläuft), so daß gewährleistet ist, daß die Breite des bzw. der Luftspalte im Betrieb des Aktuators weitgehend konstant bleibt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist, in Längsrichtung der Spule gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns mindestens eine Blattfeder angeordnet, die einerseits mit dem Kern in mechanischer Verbindung steht und andererseits in einem statischen Lager fest eingespannt ist. Die Längsrichtung der Blattfedern ist weitgehend senkrecht zur Längsachse der Spule ausgerichtet und kann ansonsten in eine beliebige Richtung verlaufen. Bei einem Aktuator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Anspruch 3 werden die Blattfedern jedoch vorzugsweise so ausgerichtet, daß ihre Längsrichtung in x-Richtung verläuft. Durch eine derartige Anordnung der Blattfedern ist gewährleistet, daß die Breite der Luftspalte zwischen der Spule und den Magneten, zwischen denen die Spule angeordnet ist, beim gesamten Schwingungsvorgang der Spule konstant bleibt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 ist, in Längsrichtung der Spule gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns mindestens eine Blattfeder angeordnet, die im mittleren Bereich mit dem Kern in mechanischer Verbindung steht und an beiden Enden eingespannt ist. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß beim Betreiben des Aktuators kein resultierendes Drehmoment erzeugt wird. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Weiterbildung nach Anspruch 8 ist jede Blattfeder an ihren Enden jeweils in einem Loslager eingespannt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Weiterbildung nach Anspruch 9 ist jede Blattfeder an ihren Enden fest eingespannt und in ihrer Längsrichtung dehnbar.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 ist, in Längsrichtung der Spule gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns jeweils ein Blattfedersystem angeordnet, das aus mindestens zwei Blattfedern 26, 28 besteht, die an ihren Enden miteinander in mechanischer Wirkverbindung stehen, wobei die jeweils eine Blattfeder 28 des Blattfedersystems mit dem Kern 10 und die jeweils andere Blattfeder 26 des Blattfedersystems mit einem Gehäuse 24 des Aktuators in mechanischer Wirkverbindung steht. Jedes der Blattfedersysteme wirkt in Längsrichtung der Spule wie eine Spiralfeder, ist senkrecht zu dieser Richtung jedoch weitgehend steif, so daß eine gleichbleibende Breite der Luftspalte auch im Betrieb gewährleistet ist.

Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß die Blattfedersysteme einen einfachen Aufbau aufweisen und auch im Betrieb des Aktuators keine resultierenden Drehmomente erzeugt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 11 ist sowohl die oberhalb als auch die unterhalb des Kerns angeordnete Blattfeder einerseits mit der Spule und andererseits mit der Spannungsquelle, durch die der Strom, der durch die Spule getrieben wird, erzeugt wird, elektrisch leitend verbunden. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß die Spannungsquelle mit dem fest eingespannten Ende der Blattfeder verbunden werden kann. In diesem Fall wird die leitende Verbindung von der Spannungsquelle zu der Blattfeder auch dann nicht dynamisch belastet, wenn die Spule in Schwingungen versetzt wird. Auch die leitende Verbindung von der Blattfeder zu der Spule wird bei einer Schwingung der Spule nicht dynamisch belastet, da sich die Enden der leitenden Verbindung auch bei einem Schwingungsvorgang nicht relativ zueinander bewegen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 12 ist die Spule inklusive des Kerns statisch gelagert und der eingebettete bzw. die eingebetteten Magnete sind mit Hilfe von Blattfedern federnd gelagert.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 13 ist bei einem Aktuator nach Anspruch 3, in Längsrichtung der Spule gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns mindestens eine Blattfeder angeordnet, deren eines Ende mit dem ersten Magnet in mechanischer Verbindung steht und deren anderes Ende mit dem zweiten Magnet in mechanischer Verbindung steht und die in ihrem mittleren Bereich fixiert ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 14 bestehen der ferromagnetische Kern und die ferromagnetischen Mäntel aus ferromagnetischen Blechen mit hoher Permeabilität, die durch Isolierschichten voneinander getrennt sind. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß sich innerhalb des ferromagnetischen Kerns und innerhalb der ferromagnetischen Mäntel keine starken Wirbelströme ausbilden können, wenn durch den ferromagnetischen Kern und durch die ferromagnetischen Mäntel ein sich zeitlich ändernder Magnetfluß geführt wird. Vielmehr sind die Wirbelströme auf die "Dicke" der Bleche begrenzt und demnach entsprechend schwach. Die Ohmschen Verluste innerhalb der ferromagnetischen Bleche und die infolgedessen entstehende Aufheizung der ferromagnetischen Bleche kann dementsprechend vernachlässigt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß die Schwächung des durch die Spule erzeugten Magnetfeldes durch die Wirbelströme ebenfalls vernachlässigt werden kann. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 15 sind die Bleche aus Elektroblech oder aus Eisen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 16 sind der Magnet bzw. die Magnete als Permanentmagnete ausgebildet. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß keine Stromzufuhr zu dem bzw. den Magneten benötigt wird, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 17 ist mindestens einer der Permanentmagnete als Seltenerdmagnet ausgebildet. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß Seltenerdmagnete ein starkes Magnetfeld pro Magnetvolumen erzeugen, also eine hohe Energiedichte besitzen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 18 sind der bzw. die Magnete als Elektromagnete ausgebildet. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß mit Hilfe von Elektromagneten besonders starke Magnetfelder erzeugt werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 19 ist der Kern, um den die Spule gewickelt ist, als doppel-T-förmiger Kern ausgebildet, dessen Längsachse in Längsrichtung der Spule liegt. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, daß ein derartiger doppel-T-förmiger Kern besonders einfach hergestellt werden kann. Insbesondere ist es besonders einfach möglich, einen derartigen Kern aus ferromagnetischen Blechen mit hoher Permeabilität zu erzeugen, die durch Isolierschichten voneinander getrennt sind.

Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:

Fig. 1 einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 2a einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 2b einen Aktuator im Querschnitt,

Fig. 3a einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 3b einen Aktuator im Querschnitt,

Fig. 4 einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 5 einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 6 einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 7 einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 8a einen Aktuator im Längsschnitt,

Fig. 8b einen Ausschnitt aus einem Aktuator in perspektivischer Ansicht.

Fig. 1 zeigt einen Aktuator 2 im Längsschnitt. Der Aktuator 2 enthält einen Magneten 4, der eine vorgegebene Magnetisierung aufweist, die in die positive y-Richtung weist. Der Aktuator 2 enthält ferner eine elektrisch leitfähige Spule 6, deren Längsachse in z- Richtung orientiert ist und somit weitgehend senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des Magneten 4 steht. Die Spule 6 ist um einen ferromagnetischen Kern 10 hoher Permeabilität gewickelt, der, in Längsrichtung der Spule (d. h. z-Richtung) gesehen, oberhalb und unterhalb der Spule in kragenartigen Vorsprüngen 12a und 12b aus ferromagnetischem Material hoher Permeabilität endet. Die Spule 6 ist relativ zu dem Magneten 4 so angeordnet, daß zwischen den genannten Bestandteilen des Aktuators 2 ein schmaler Luftspalt 8 verbleibt. Der Magnet 4 ragt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 im statischen Zustand des Aktuators in Längsrichtung der Spule 6 gesehen sowohl am oberen Ende als auch am unteren Ende über die Spule 6 hinaus. Dies gilt auch für alle Magnete der anderen Ausführungsbeispiele, die noch beschrieben werden.

Der Magnet 4 ist in einen ferromagnetischen Mantel 14 hoher Permeabilität eingebettet, der die der Spule 6 abgewandte Fläche 16 des Magneten 4 und, in Längsrichtung der Spule gesehen, die obere Fläche 18 und die untere Fläche 20 des Magneten zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, bedeckt. Der ferromagnetische Mantel 14 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel und in allen weiteren gezeigten Ausführungsbeispielen der Erfindung bevorzugt so ausgebildet, daß die seitlichen Stirnflächen 62a, 62b des Mantels 14 plan (d. h. ohne Versatz) in die seitlichen Stirnflächen 64 des Magneten 4 übergehen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Spule 6 inklusive des Kerns 10 mit Hilfe von Spiralfedern 22a und 22b in dem Gehäuse 24 des Aktuators 2 federnd gelagert, wohingegen der in den Mantel 14 eingebettete Magnet 4 in dem Gehäuse 24 statisch gelagert ist.

Die kragenartigen Vorsprünge 12a und 12b sind bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel derart ausgebildet, daß zwischen den seitlichen Stirnflächen 60a, 60b dieser und den gegenüberliegenden seitlichen Stirnflächen 62a, 62b des ferromagnetischen Mantels 14 ein schmaler Luftspalt mit einer Breite von bevorzugt ca. 0,5 mm bis 5 mm verbleibt. Aufgrund dieses schmalen Luftspalts kommt es nur zu geringen Magnetfeldflußverlusten, wenn der Magnetfluß von einem kragenartigen Vorsprung 12a, 12b in den ferromagnetischen Mantel fließt bzw. umgekehrt. Die Spule 6 ist bevorzugt derart auf den Kern 10 aufgewickelt, daß zwischen der Spule 6 und dem Magneten 4 ein Luftspalt verbleibt, der in etwa die gleiche Breite aufweist, wie der Luftspalt zwischen den genannten Stirnflächen 60a, 60b und 62a, 62b.

Auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden die kragenartigen Vorsprünge 12a, 12b so ausgebildet, daß zwischen ihren seitlichen Stirnflächen und den gegenüberliegenden seitlichen Flächen des Mantels 14 nur ein schmaler Luftspalt verbleibt. Ferner wird die Spule 6 wie oben erläutert auf den Kern 10 gewickelt.

Der ferromagnetische Mantel 14 und insbesondere die Teile des ferromagnetischen Mantels 14, die die obere Fläche 18 bzw. die untere Fläche 20 des Magneten 4 bedecken, weisen eine Dicke D auf. Die kragenartigen Vorsprünge 12a, 12b des Kerns weisen eine Dicke d auf, die kleiner oder genauso groß ist, wie die Dicke D des ferromagnetischen Mantels 14. Der Magnet 4 weist in Längsrichtung der Spule (also z- Richtung) ca. eine Länge L = l + d auf, die der Länge l der Spule addiert zu der Dicke d der kragenartigen Vorsprünge 12a, 12b entspricht. Spule 6 und Magnet 4, sind derart zueinander gelagert, daß im statischen Zustand des Aktuators 2 der Magnet 4 in Längsrichtung der Spule 6 gesehen jeweils um die Länge d/2 über das obere bzw. untere Ende der Spule 6 hinausragt. Die genannten Abmessungen gelten auch für die Aktuatoren 2 in allen anderen Ausführungsbeispielen.

Im folgenden wird erläutert, wie sich der Aktuator 2 verhält, wenn durch die Spule 6 ein Wechselstrom getrieben wird. Hierbei wird zunächst davon ausgegangen, daß der Stromfluß durch die Spule 6 so orientiert ist, daß er linksseitig des Kerns 10 in die Papierebene hineinfließt, wohingegen er rechtsseitig des Kerns 10 aus der Papierebene herausfließen soll. In diesem Fall wird durch den Stromfluß in der Spule 6 ein Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetfeldlinien innerhalb des Kerns 10 in die negative z- Richtung verlaufen. Der magnetische Fluß wird durch die kragenartigen Vorsprünge 12a, 12b und durch den Mantel 14 geleitet, in dem der Magnet 4 eingebettet ist. Die Magnetfeldlinien weisen den in der Fig. 1 eingezeichneten Verlauf auf. Aufgrund des durch die Spule 6 erzeugten Magnetfeldes kommt es in dem Aktuator 2 zu unterschiedlichen Kräften. So entsteht in der Region A eine in die negative z-Richtung gerichtete Kraft, die auf den Kern 10 und auf die Spule 6 wirkt. Diese magnetische Reluktanzkraft entsteht dadurch, daß die Magnetfeldlinie des Magnetfeldes, das durch die stromdurchflossene Spule 6 erzeugt wird, in der Region A das Bestreben aufweisen, den Magneten 4 zu durchdringen bzw. sich über den Magneten 4 zu schließen, da in der Region A die durch den Magneten 4 erzeugten Magnetfeldlinien die gleiche Richtung aufweisen wie die durch die stromdurchflossene Spule 6 erzeugten Magnetfeldlinien.

In der Region B wirkt auf die Spule 6 eine in die negative z-Richtung gerichtete Lorentzkraft, da dort der Vektor des durch die Spule 6 fließenden Stromes in die negative x-Richtung und das durch den Magneten 4 erzeugte Magnetfeld in die positive y-Richtung und somit das Kreuzprodukt dieser beiden Vektoren in die negative z- Richtung weist.

In der Region C wirkt eine in die negative z-Richtung gerichtete Kraft auf die den Kern 10 und die Spule 6, da in dieser Region die durch die Spule 6 erzeugten Magnetfeldlinien eine entgegengesetzte Richtung aufweisen wie die durch den Magneten 4 erzeugten Magnetfeldlinien. Die Magnetfeldlinien versuchen sich in diesem Bereich also einander zu verdrängen, was dadurch erfolgt, daß die Spule 6 nach unten ausweicht.

Alle drei in die negative z-Richtung auf die Spule 6 wirkenden Kräfte addieren sich zu einer in die negative z-Richtung weisenden Gesamtkraft, die dafür sorgt, daß sich die Spule nach unten bewegt. Fließt der Strom in die andere Richtung durch die Spule, so wird auf die Spule dementsprechend eine in die positive z-Richtung orientierte Gesamtkraft ausgeübt und infolgedessen bewegt sich die Spule 6 in die positive z- Richtung, also nach oben. Wird also insgesamt ein Wechselstrom durch die Spule 6 getrieben, so wirkt auf die Spule 6 eine periodische Erzeugerkraft, die das Masse-Feder- System, bestehend aus der Spule 6, dem Kern 10 und den Spiralfedern 22a und 22b zu Schwingungen anregt.

Das schwingende Masse-Feder-System (im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 also die Spule 6 mit dem Kern 10) ist gegenüber der statischen Masse (im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 also gegenüber dem Magneten 4 mit dem Mantel 14) bevorzugt so gelagert, daß es aus der Ruhelage (s. Fig. 1) maximal um die Strecke d/2 nach oben bzw. nach unten (in z-Richtung gesehen) ausgelenkt werden kann, der gesamte Schwingungsweg von einer maximalen Auslenkung bis zur anderen maximalen Auslenkung also gerade der Dicke d der kragenartigen Vorsprünge 12a, 12b entspricht. Es hat sich gezeigt, daß der Aktuator 2 in diesem Bereich ein lineares Verhalten aufweist und somit einfach zu steuern bzw. zu regeln ist. Die Auslenkung kann beispielsweise durch eine entsprechende Steifigkeit der federnden Lagerung (im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 durch eine entsprechende Steifigkeit der Spiralfedern 22a, 22b) begrenzt werden. Sämtliche Aktuatoren 2 in allen anderen Ausführungsbeispielen werden bevorzugt so gelagert.

Es wird an dieser Stelle ausdrücklich betont, daß die Funktion des in der Fig. 1 gezeigten Aktuators 2 nicht davon abhängig ist, ob das Magnetfeld des Magneten 4 in die positive y-Richtung bzw. in die negative y-Richtung orientiert ist. Ist das Magnetfeld des Magneten 4 in die negative y-Richtung orientiert, so kehrt sich lediglich bei einer vorgegebenen Stromflußrichtung durch die Spule die Richtung der auf die Spule 6 wirkenden Kräfte um. Es wird an dieser Stelle ferner ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die Funktion des in der Fig. 1 gezeigten Aktuators 2 nicht davon abhängt, ob die Spule 6 oder der Magnet 4 federnd gelagert ist. Ist anstelle der Spule 6 der Magnet 4 federnd gelagert, so bewegt sich der federnd gelagerte Magnet 4 nach oben, wenn sich bei entsprechender Stromrichtung die federnd gelagerte Spule 6 nach unten bewegen werde und umgekehrt. Eine derartige kinematische Umkehr ist auch bei allen anderen gezeigten Ausführungsbeispielen denkbar.

Fig. 2 zeigt einen Aktuator 2, wobei die Fig. 2a einen Längsschnitt des Aktuators 2 und die Fig. 2b einen Querschnitt entlang der in der Fig. 2a gezeigten Linie zeigt. Der Aktuator 2 gemäß der Fig. 2 weist einen ringförmigen Magneten 4 auf, dessen Magnetisierung in die radial innere Richtung weist. Die Längsachse der elektrisch leitfähigen Spule 6 ist senkrecht zu der radialen Richtung der Magnetisierung des Magneten 4 angeordnet, d. h. sie ist in z-Richtung orientiert. Die Spule 6 wird von dem ringförmigen Magneten 4 konzentrisch derart umschlossen, daß zwischen der Spule 6 und dem ringförmigen Magneten 4 ein Luftspalt 8 verbleibt. Im übrigen weist der in der Fig. 2 gezeigte Aktuator 2 einen analogen Aufbau auf, wie der in der Fig. 1 gezeigte Aktuator 2, d. h. die Spule 6 ist auf einen Kern 10 mit kragenartigen Vorsprüngen 12a und 12b gewickelt und der ringförmige Magnet 4 ist in einen Mantel 14 eingebettet, der die der Spule abgewandte Fläche 16 des Magneten und, in Längsrichtung der Spule gesehen, die obere Fläche 18 und die untere Fläche 20 des Magneten bedeckt. Der Kern 10 mit seinen kragenartigen Vorsprüngen 12a, 12b weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Form einer Hantel bzw. einer Kabeltrommel auf, auf die die Spule 6 gewickelt ist.

Das Funktionsprinzip des in der Fig. 2 gezeigten Aktuators 2 ist identisch mit dem Funktionsprinzip des in der Fig. 1 gezeigten Aktuators 2, so daß an dieser Stelle nicht nochmals darauf eingegangen werden soll. Bei dem in der Fig. 2 gezeigten Aktuator 2 ist genau wie bei dem in der Fig. 1 gezeigten Aktuator 2 die auf den Kern 10 gewickelte Spule 6 mit Hilfe von Blattfedern 26 und 28 federnd gelagert, wobei die Blattfeder 26, in Längsrichtung der Spule 6 gesehen, oberhalb des Kerns 10 und die Blattfeder 28, in Längsrichtung der Spule 6 gesehen, unterhalb des Kerns 10 angeordnet ist. Jeweils ein Ende der Blattfedern 26 bzw. 28 steht über einen Abstandshalter 30 bzw. 32 mit dem kragenartigen Vorsprung 12a bzw. 12b des Kerns 10 in mechanischer Verbindung. Hierbei sind die Abstandhalter 30 bzw. 32 bevorzugt so angeordnet, daß ihre zentralen Längsachsen mit der verlängerten Längsachse der Spule zusammenfallen, so wie es auch in der Fig. 2 gezeigt ist (das gleiche gilt ebenfalls für die in den folgenden Ausführungsbeispielen gezeigten Abstandhalter, die mit den kragenartigen Vorsprüngen des Kerns in mechanischer Verbindung stehen). Das jeweils andere Ende der Blattfeder 26 bzw. der Blattfeder 28 ist in dem Gehäuse 24, an dem auch der ringförmige Magnet 4 befestigt ist, eingespannt.

Auch für die Funktion des in der Fig. 2 gezeigten Aktuators 2 ist es unwesentlich, ob das durch den ringförmigen Magneten 4 erzeugte Magnetfeld in die radial innere Richtung (also auf die Spule) weist oder aber in die radial äußere Richtung (also von der Spule weg) weist.

Fig. 3a und 3b zeigt einen Aktuator 2 mit zwei voneinander beabstandeten weitgehend quaderförmigen Magneten 4a und 4b mit Stirnflächen, deren Flächennormalen in die positive bzw. in die negative y-Richtung weisen. Die Magnetisierung des Magneten 4a weist in die positive y-Richtung, wohingegen die Magnetisierung des Magneten 4b in die negative y-Richtung weist. Zwischen den beiden quaderförmigen Magneten 4a und 4b ist mittig eine elektrisch leitfähige Spule angeordnet, deren Längsachse in z-Richtung orientiert ist. Zwischen den Magneten 4a und 4b und der Spule 6 verbleibt jeweils ein Luftspalt 8a bzw. 8b gleicher Breite. Die Spule 6 ist um einen doppel-T-förmigen Kern 10 gewickelt, der, in Längsrichtung der Spule 6 (also in z-Richtung) gesehen, oberhalb und unterhalb der Spule in kragenartigen Vorsprüngen 12a und 12b endet. Jeder der Magnete 4a und 4b ist auch bei dem in der Fig. 3a und 3b gezeigten Aktuator 2 in einen ferromagnetischen Mantel 14 hoher Permeabilität eingebettet, der jeweils die der Spule 6 abgewandte Fläche 16a bzw. 16b und, in Längsrichtung der Spule 6 gesehen, die obere Fläche 18 und die untere Fläche 20 des Magneten bedeckt.

Bei dem in der Fig. 3a und 3b gezeigten Aktuator ist die um den Kern 10 gewickelte Spule 6 mit Hilfe von Blattfedern 26 und 28 federnd gelagert, wohingegen die ummantelten Magnete 4a und 4b statisch gelagert sind. Die Blattfedern 26 und 28 sind jeweils, in Längsrichtung der Spule gesehen, oberhalb bzw. unterhalb des Kerns 10 angeordnet und stehen über Abstandshalter 30 und 32 mit dem Kern 10 in mechanischer Verbindung.

Fig. 4, die einen Längsschnitt durch den in der Fig. 3a gezeigten Aktuator 2 entlang der Linie IV/IV zeigt, ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, wie die Blattfedern 26 und 28 an dem Aktuator 2 bzw. an dem Gehäuse 24 des Aktuators 2 befestigt sein können. Ein Ende der Blattfeder 26 bzw. der Blattfeder 28 ist an dem Abstandshalter 30 bzw. 32 befestigt, der mit dem Kern 10, um den die Spule 6 gewickelt ist, in mechanischer Verbindung steht. Das andere Ende der Blattfeder 26 bzw. der Blattfeder 28 ist in dem Gehäuse 24 fest eingespannt. Hierbei werden die Blattfedern 26 und 28 vorzugsweise so ausgerichtet, daß ihre Längsachse entlang der x-Richtung verläuft. Der Sinn einer derartigen Ausrichtung der Blattfedern 26 und 28 wird verständlich, wenn man sich die Fig. 3a betrachtet. Wird nämlich durch die Spule 6 ein Wechselstrom getrieben, so beginnt die Spule 6 in z-Richtung zu schwingen. Hierbei werden die Blattfedern 26 und 28 entsprechend gekrümmt, so daß sich die um den Kern 10 gewickelte Spule 6 bei einem Schwingungsvorgang auf einem schwach gekrümmten Kreisausschnitt bewegt. Da dieser Kreisausschnitt jedoch ausschließlich in der x-z- Ebene liegt, ist durch die Orientierung der Längsrichtung der Blattfedern 26 und 28 in x- Richtung sichergestellt, daß sich die um den Kern 10 gewickelte Spule 6 bei einem Schwingungsvorgang weder an den Magneten 4a noch an den Magneten 4b annähert (dies wäre offensichtlich der Fall, wenn die Längsrichtung der Blattfedern 26 bzw. 28 in y-Richtung orientiert wäre). Durch die bevorzugte Orientierung der Längsrichtung der Blattfedern 26 und 28 in x-Richtung kann also sichergestellt werden, daß bei einem Schwingungsvorgang der Spule die Luftspalte 8a und 8b immer die gleiche Breite aufweisen und somit nicht die Gefahr besteht, daß die Spule 6 mit dem Magneten 4a bzw. 4b in Berührung kommt.

Der Fig. 4 ist über die obigen Ausführungen hinaus eine besonders vorteilhafte Stromzuführung zu der elektrisch leitfähigen Spule 6 zu entnehmen. Dazu führt eine Leitung 34 von der Spannungsquelle 36 zu dem dem Gehäuse 24 zugewandten Ende der Blattfeder 26. Eine weitere Leitung 38 führt von dem anderen Ende der Blattfeder 26, das mit dem Abstandhalter 30 in Wirkverbindung steht, zu der elektrisch leitfähigen Spule 6. Entsprechend führen Leitungen 40 und 42 von der Spannungsquelle 36 über die Blattfeder 28 zu der elektrisch leitfähigen Spule 6, so daß der Stromkreis durch die Spule geschlossen wird. Beginnt die um den Kern 10 gewickelte Spule 6 infolge eines Stromflusses durch die Spule 6 in z-Richtung zu schwingen, so werden die Endpunkte der Leitungen 34 und 40, die auf den Blattfedern 26 bzw. 28 enden, dynamisch nur in zu vernachlässigender Art und Weise belastet, da die Bereiche der Blattfedern 26 bzw. 28, in denen die Leitungen 34 und 40 enden, bei einer Schwingung der Spule 6 praktisch nicht verformt werden. Darüber hinaus werden auch die Leitungen 38 und 42, die von den Blattfedern 26 und 28 zu der Spule 6 führen, dynamisch nicht belastet, da die beiden Endpunkte der Leitungen bei einer Schwingung der Spule in z-Richtung immer den gleichen Abstand zueinander einnehmen. Die im Zusammenhang mit der Fig. 4 erläuterte Stromzuführung zu der elektrisch leitfähigen Spule 6 kann überall dort verwendet werden, wo die schwingend gelagerte Spule 6 über Blattfedern 26, 28 mit einem Gehäuse verbunden ist und funktioniert selbstverständlich nur dann, wenn die Blattfedern 26 und 28 elektrisch leitfähig und gegenüber dem Gehäuse 24 und dem Abstandhalter 30 und 32 elektrisch isoliert sind.

Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Lagerung der um den Kern 10 gewickelten Spule 6 des in der Fig. 3 gezeigten Aktuators 2. In Längsrichtung der Spule 6 gesehen, ist wiederum oberhalb und unterhalb des Kerns 10 jeweils eine Blattfeder 26 und 28 angeordnet. Die Blattfedern 26 und 28 stehen bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch in ihrem mittleren Bereich mit dem am Kern 10 befestigten Abstandhalter 30 bzw. 32 in mechanischer Verbindung und sind an ihren Enden jeweils in das Gehäuse 24 des Aktuators 2 eingespannt. Der zwischen den Enden der Blattfeder 26 bzw. 28 und dem Abstandhalter 30 bzw. 32 befindliche Teil der Blattfeder 26 bzw. 28 ist so ausgebildet, daß er sich in Längsrichtung der Blattfeder (also in x- Richtung) dehnen kann. Dies wird bei der Blattfeder 26 dadurch erreicht, daß die Blattfeder 26 an beiden Enden in dem Gehäuse 24 über ein Loslager 44a bzw. 44b eingespannt ist. Bei dem Loslager 44 kann es sich beispielsweise um ein elastisches, dehnbares Gummilager handeln. Bei der Blattfeder 28 wird dies dadurch erreicht, daß diese in den genannten Bereichen eine Faltung 46a bzw. 46b aufweist, die eine Dehnung der Blattfeder 28 in x-Richtung ermöglicht, wenn auch auf die Blattfeder 28 entsprechende Kräfte wirken.

Der Vorteil der in der Fig. 5 gezeigten Lagerung der um den Kern 10 gewickelten Spule 6 ist darin zu sehen, daß bei einer Schwingung der Spule 6 in z-Richtung kein resultierendes Drehmoment erzeugt wird.

Fig. 6 zeigt einen Aktuator 2, der weitgehend genauso aufgebaut ist wie der in der Fig. 2 gezeigte Aktuator 2 mit einem ringförmigen Magneten 4 bzw. weitgehend genauso aufgebaut ist wie der in der Fig. 3 gezeigte Aktuator 2 mit zwei quaderförmigen Magneten 4a und 4b. Der in der Fig. 6 gezeigte Aktuator 2 unterscheidet sich lediglich durch die gefederte Lagerung der um den Kern 10 gewickelten Spule 6. Im Zentrum der kragenartigen Vorsprünge 12a und 12b befinden sich Abstandhalter 30 und 32, deren anderes Ende jeweils mit dem Gehäuse 24 des Aktuators 2 in mechanischer Verbindung steht. Jeder der beiden Abstandhalter 30 und 32 ist durch ein Blattfedersystem aus zwei übereinanderliegenden Blattfedern 26a, 28a bzw. 26b, 28b unterbrochen. Die beiden Blattfedern 26 und 28 sind an ihren Enden jeweils durch Abstandhalter 48 voneinander beabstandet und über diese miteinander verbunden. Ferner ist die obere Blattfeder 26 in ihrem mittleren Bereich mit dem dem Gehäuse 24 zugewandten Teil des jeweiligen Abstandhalters verbunden, wohingegen die untere Blattfeder 28 in ihrem mittleren Bereich mit dem dem Kern 10 zugewandten Teil des jeweiligen Abstandhalters verbunden ist. Die Blattfedern 26 und 28 sind derart orientiert, daß die Längsrichtung der Blattfedern senkrecht zur Längsrichtung der Spule 6 bzw. senkrecht zur Schwingungsrichtung der Spule 6 verlaufen.

Wird durch die Spule 6 ein Wechselstrom getrieben und daraufhin die Spule 6 zu Schwingungen angeregt, so wirken die in den Abstandhaltern 30 und 32 integrierten Blattfedern 26 und 28 ähnlich wie Spiralfedern, weisen jedoch den Vorteil auf, daß sie eine Verschiebung der um den Kern 10 gewickelten Spule 6 senkrecht zur Schwingungsrichtung nicht zulassen, so daß die Breite des Luftspaltes 8 (s. auch Fig. 2) bzw. der Luftspalte 8a, 8b (s. auch Fig. 3) konstant bleibt. Darüber hinaus weist die in der Fig. 6 gezeigte federnde Lagerung der um den Kern 10 gewickelten Spule 6 den Vorteil auf, daß bei einer Schwingung der Spule 6 in z-Richtung keine Drehmomente auftreten.

Fig. 7 zeigt ebenfalls einen Aktuator 2, der an sich genauso aufgebaut ist wie der in der Fig. 2 gezeigte Aktuator 2 mit einem ringförmigen Magneten 4 bzw. genauso aufgebaut ist wie der in der Fig. 3 gezeigte Aktuator 2 mit zwei quaderförmigen Magneten 4a und 4b. Der Unterschied bei dem in der Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist darin zu sehen, daß die Spule 6 inklusive des Kerns 10 statisch gelagert ist und der eingebettete Magnet 4 bzw. die eingebetteten Magnete 4a und 4b derart federnd gelagert sind, daß sie Schwingungen in z-Richtung vollführen können, wenn durch die Spule 6 ein Wechselstrom getrieben wird. Die federnde Lagerung der Magnete 4a und 4b kann mit Hilfe von Blattfedern erfolgen, von denen jeweils eine in Längsrichtung der Spule 6 gesehen oberhalb und unterhalb des Kerns 10 angeordnet ist. Jede der Blattfeder steht in diesem Fall in ihrem mittleren Bereich über einen Abstandhalter 30 mit dem Kern 10 und an ihren Enden jeweils über Abstandhalter mit den ummantelten Magneten 4a bzw. 4b in mechanischer Verbindung, so wie es auch für die Blattfeder 26 in der Fig. 7 gezeigt ist.

Alternativ kann die um den Kern 10 gewickelte Spule über einen Abstandhalter 32 direkt mit dem Gehäuse 24 in mechanischer Verbindung stehen. In diesem Fall kann jeder der eingebetteten Magnete 4a und 4b sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kerns 10 mit Hilfe von Abstandhaltern 50 und 52 schwingend gelagert werden, die jeweils durch übereinanderliegende Blattfedern 26 und 28 unterbrochen sind. Die Abstandhalter 50 und 52 weisen den gleichen Aufbau wie der im Zusammenhang mit der Fig. 6 erläuterte Abstandhalter 30 auf, so daß an dieser Stelle nicht noch einmal näher auf den Aufbau der Abstandhalter 50 und 52 eingegangen werden soll.

Bei allen Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 1 bis 7 gezeigt sind, können der Magnet 4 bzw. die Magnete 4a und 4b als Permanentmagnete mit einer entsprechenden Magnetisierungsrichtung bzw. als Elektromagnete ausgebildet sein, in denen sich eine entsprechende Magnetisierungsrichtung einstellt, wenn sie von einem Strom durchflossen werden. Werden in den Aktuatoren Permanentmagnete verwendet, so werden diese bevorzugt als Seltenerdmagnete ausgebildet.

Darüber hinaus können in allen in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen der ferromagnetische Kern 10 und die ferromagnetischen Mäntel 14 aus ferromagnetischen Blechen mit hoher Permeabilität, bevorzugt aus Elektroblech oder Eisen, bestehen, die durch Isolierschichten voneinander getrennt sind. Hierbei werden die Bleche derart aufeinander gestapelt, daß sie besonders gut von dem Magnetfluß, der durch die elektrisch leitfähige Spule 6 erzeugt wird, durchflossen werden können und Ringströme um die Magnetfeldlinie sich nur in der "Dicke" der Bleche ausbilden können. Dies wird beispielhaft an dem in der Fig. 3 gezeigten Aktuator 2 erläutert: Der Kern 10, der in kragenartigen Vorsprüngen 12a und 12b endet, besteht aus Elektroblechen oder Eisenblechen, von denen eins in der Fig. 3a gezeigt ist. Auf diesem Blech liegt eine Isolierschicht, an die sich dann ein weiteres Blech anschließt. Dieser Aufbau des Kerns 10 wird in x-Richtung fortgesetzt, so daß schließlich der in der Fig. 3 gezeigte Kern 10 entsteht.

Auch der Mantel 14 wird aus "c-förmigen" Elektroblechen/Eisenblechen gebildet, von denen jeweils eins in der Fig. 3a gezeigt ist. Auf den in der Fig. 3a gezeigten Blechen liegt eine Isolierschicht, die die in der Fig. 3a gezeigten Bleche von den nächsten sich anschließenden Eisenblechen trennt. Der beschriebene Aufbau wird in x-Richtung fortgesetzt, so daß schließlich der gesamte Mantel 14 für die Magnete 4a und 4b entsteht.

Fig. 8a zeigt einen Aktuator 2, der an sich genauso aufgebaut ist wie der in der Fig. 2a gezeigte Aktuator, so daß bezüglich des Aufbaues auf die dazugehörige Figurenbeschreibung verwiesen wird. Ein Unterschied ist lediglich darin zu sehen, daß bei dem in der Fig. 8a gezeigten Aktuator 2 sowohl der Kern 10 als auch der Mantel 14 aus einzelnen nebeneinanderliegenden Elektroblechen oder Eisenblechen 54a bzw. 54b besteht, die jeweils durch eine isolierende Lackschicht 56 voneinander getrennt sind.

Die Bleche 54a weisen einen kreissegmentförmigen Querschnitt und die Bleche 54b einen ringsegmentförmigen Querschnitt auf. Die kreissegmentförmigen Bleche 54a und die ringsegmentförmigen Bleche 54b sind derart angeordnet, daß die isolierenden Lackschichten auf den Außenflächen der genannten Elemente bei zwei einander zugeordneten Elementen auf dem gleichen Radius liegen.

Fig. 8b zeigt in perspektivischer Ansicht ein kreissegmentförmiges Blech 54a mit einem dazugehörigen ringsegmentförmigen Blech 54b. Das kreissegmentförmige Blech 54a des Kerns 10 weist in der Seitenansicht die Form eines "c" auf, das die Spule 6 umfaßt. Das ringsegmentförmige Blech 54b weist in der Seitenansicht ebenfalls die Form eines "c" auf, das den Magneten 4 umfaßt. Die "c"-förmigen Seitenflächen sowohl des Bleches 54a als auch des Bleches 54b sind mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht bedeckt. Die Bogenlänge 58 des kreissegmentförmigen Bleches 54a wird möglichst kurz ausgebildet. In diesem Fall sind die sich in dem Blech 54a bildenden Wirbelströme zu vernachlässigen. Das gleiche gilt dementsprechend für die innere und die äußere Bogenlänge des ringsegmentförmigen Bleches 54b.

Bezugszeichenliste

2

Aktuator

4

Magnet

6

Spule

8

Luftspalt

10

Kern

12

a, b kragenartige Vorsprünge

14

Mantel

16

Fläche des Magneten, die der Spule abgewandt ist

18

obere Fläche des Magneten

20

untere Fläche des Magneten

22

a, b Spiralfedern

24

Gehäuse

26

,

28

Blattfedern

30

,

32

Abstandhalter

34

Leitung

36

Spannungsquelle

38

,

40

,

42

Leitung

44

Loslager

46

Faltung

48

,

50

,

52

Abstandhalter

54

a, b Eisenblech

56

Lackschichten

58

Bogenlänge

60

a

,

b seitliche Stirnflächen der kragenartigen Vorsprünge

62

a,

6

seitliche Stirnflächen des ferromagnetischen Mantels

64

seitliche Stirnfläche des Magneten

Claims (19)

1. Aktuator (2), der folgende Bestandteile enthält:

• - mindestens einen Magneten (4a, 4b) mit einer vorgegebenen Magnetisierungsrichtung,
• - eine elektrisch leitfähige Spule (6), deren Längsachse weitgehend senkrecht zur Magnetisierungsrichtung des Magneten (4a, 4b) orientiert ist und durch die ein elektrischer Strom treibbar ist, wobei die Spule (6) in Magnetisierungsrichtung des Magneten (4a, 4b) versetzt derartig neben dem Magneten (4a, 4b) angeordnet ist, daß zwischen der Spule (6) und dem Magneten (4a, 4b) ein, Luftspalt (8) verbleibt und daß im statischen Zustand des Aktuators (2) der Magnet (4a, 4b), in Längsrichtung der Spule (6) gesehen, über die Enden der Spule (6) hinausragt,
• - einen ferromagnetischen Kern (10) hoher Permeabilität, um den die Spule (6) gewickelt ist und der in Längsrichtung der Spule (6) gesehen, oberhalb und unterhalb der Spule (6) in kragenartigen Vorsprüngen (12a, 12b) aus ferromagnetischem Material hoher Permeabilität endet,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Magnet (4a, 4b) in einen ferromagnetischen Mantel (14) hoher Permeabilität eingebettet ist, der zumindest die der Spule (6) abgewandte Fläche (16) des Magneten (4a, 4b) und, in Längsrichtung der Spule (6) gesehen, die obere (18) und die untere Fläche (20) des Magneten (4a, 4b) zumindest bereichsweise bedeckt, und daß
• - entweder der eingebettete Magnet (4a, 4b) statisch gelagert ist und die Spule (6) inklusive des Kerns (10) derart federnd gelagert ist, daß die Spule (6) inklusive des Kerns (10) Schwingungen vollführen kann, wenn durch die Spule (6) ein Wechselstrom getrieben wird
• - oder die Spule (6) inklusive des Kerns (10) statisch gelagert ist und der eingebettete Magnet (4a, 4b) derart federnd gelagert ist, daß er Schwingungen vollführen kann, wenn durch die Spule (6) ein Wechselstrom getrieben wird.

2. Aktuator (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Bestandteile enthält:

• - einen ringförmigen Magneten (4) mit einer Magnetisierung in radialer Richtung,
• - eine elektrisch leitfähige Spule (6), deren Längsachse senkrecht zu der radialen Richtung der Magnetisierung angeordnet ist und die von dem ringförmigen Magneten (4) konzentrisch derart umschlossen wird, daß zwischen dem Magneten (4) und der Spule (6) ein Luftspalt (8) verbleibt.

3. Aktuator (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Bestandteile enthält:

• - zwei voneinander beabstandete weitgehend quaderförmige Magnete (4a, 4b) mit Stirnflächen, deren Flächennormalen in die positive bzw. in die negative y- Richtung weisen, wobei die Magnetisierung des einen Magneten (4a) in die positive y-Richtung und die Magnetisierung des anderen Magneten (4b) in die negative y-Richtung weist und wobei jeder Magnet (4a, 4b) in einen ferromagnetischen Mantel (14) hoher Permeabilität eingebettet ist, der die der Spule abgewandte Stirnfläche (16) des Magneten (4a, 4b) und die Flächen (18, 20) des Magneten (4a, 4b), deren Flächennormalen in die, positive bzw.- in die negative z-Richtung weisen, zumindest bereichsweise bedeckt, und
• - eine elektrisch leitfähige Spule (6), deren Längsachse in z-Richtung orientiert ist und durch die ein elektrischer Strom treibbar ist, wobei die Spule (6) derartig zwischen den Magneten (4a, 4b) angeordnet ist, daß zwischen der Spule (6) und jedem der Magnete (4a, 4b) ein Luftspalt (8a, 8b) verbleibt.

4. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Magnete (4a, 4b) statisch gelagert sind und die Spule (6) inklusive des Kerns (10) mit Hilfe von Spiralfedern (22a, 22b), deren Längsachsen in Richtung der Längsachse der Spule (6) verlaufen, federnd gelagert ist.

5. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Magnete (4a, 4b) statisch gelagert sind und die Spule (6) inklusive des Kerns (10) mit Hilfe von Blattfedern (26, 28) federnd gelagert ist.

6. Aktuator (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, in Längsrichtung der Spule (6) gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns (10) mindestens eine Blattfeder (26, 28) angeordnet ist, die einerseits mit dem Kern (10) in mechanischer Verbindung steht und andererseits in einem statischen Lager am Gehäuse (24) fest eingespannt ist.

7. Aktuator (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der Spule (6) gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns (10) mindestens eine Blattfeder (26, 28) angeordnet ist, die im mittleren Bereich mit dem Kern (10) in mechanischer Verbindung steht und an ihren Enden eingespannt ist.

8. Aktuator (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Blattfeder (26, 28) an in Enden jeweils in einem Loslager (44a, 44b) eingespannt ist.

9. Aktuator (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Blattfeder (26, 28) an ihren Enden fest eingespannt ist und in ihrer Längsrichtung dehnbar ist.

10. Aktuator (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der Spule (6) gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns (10) jeweils ein Blattfedersystem angeordnet ist, das aus mindestens zwei Blattfedern (26, 28) besteht, die an ihren Enden miteinander in mechanischer Wirkverbindung stehen, wobei die jeweils eine Blattfeder (28) des Blattfedersystems mit dem Kern (10) und die jeweils andere Blattfeder (26) des Blattfedersystems mit einem Gehäuse (24) des Aktuators in mechanischer Wirkverbindung steht.

11. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die oberhalb als auch die unterhalb des Kerns (10) angeordnete Blattfeder (26, 28) einerseits mit der Spule (6) und andererseits mit der Spannungsquelle (36), durch die der Strom, der durch die Spule getrieben wird, erzeugt wird, elektrisch leitend verbunden ist.

12. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (6) inklusive des Kerns (10) statisch gelagert ist und der eingebettete bzw. die eingebetteten Magnete (4a, 4b) mit Hilfe von Blattfedern (26, 28) federnd gelagert sind.

13. Aktuator (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung der Spule (6) gesehen, oberhalb und unterhalb des Kerns (10) mindestens eine Blattfeder (26, 28) angeordnet ist, deren eines Ende mit dem ersten eingebetteten Magnet (4a) in mechanischer Verbindung steht und deren anderes Ende mit dem zweiten eingebetteten Magnet (4b) in mechanischer Verbindung steht und die in ihrem mittleren Bereich fixiert ist.

14. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kern (10) und die ferromagnetischen Mäntel (14) aus ferromagnetischen Blechen mit hoher Permeabilität bestehen, die durch Isolierschichten voneinander getrennt sind.

15. Aktuator (2) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche aus Elektroblech sind.

16. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (4) bzw. die Magnete (4a, 4b) als Permanentmagnete ausgebildet sind.

17. Aktuator (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Permanentmagnete als Seltenerdmagnet ausgebildet ist.

18. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (4) bzw. die Magnete (4a, 4b) als Elektromagnete ausgebildet sind.

19. Aktuator (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (10) als doppel-T-förmiger Kern (10) ausgebildet ist, dessen Längsachse in Längsachse der Spule (6) liegt.