DE19900762C2 - Elektromagnetische Antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung, mit einem in Hubrichtung hin- und herbewegbaren Antriebsteil, das ein quer zur Hubrichtung in Magnetisierungsrichtung magnetisiertes Magnetteil aufweist, das nur zwei entgegengesetzt magneti­ sierte, in Hubrichtung hintereinander angeordnete Magnetpar­ tien aufweist, und das in einem Zwischenraum einer Jochanord­ nung mit in Magnetisierungsrichtung auf entgegengesetzten Seiten des Antriebsteiles vorgesehenen Polstücken angeordnet ist, wobei zumindest eines der Polstücke von einer zum Her­ vorrufen eines Hubes des Antriebsteiles bestrombaren Spule ringförmig umgeben ist, deren Axialrichtung in etwa mit der Magnetisierungsrichtung zusammenfällt.

Eine derartige aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 29, No. 2, July 1986, Seiten 931/932, bekannte Antriebs­ vorrichtung besitzt ein Antriebsteil, das neben zwei Magnet­ partien eine Vielzahl von Weicheisenbereichen aufweist, die mit acht Polstücken zusammenwirken. Zur Rückführung in die Ausgangslage ist es erforderlich, die Magnetspule entgegenge­ setzt zu bestromen. Die gesamte Anordnung ist sehr aufwendig, voluminös und kostenaufwendig, wobei die große Masse des An­ triebsteils schnellen Bewegungen entgegensteht.

Eine weitere Antriebsvorrichtung geht beispielsweise aus der DE 30 28 772 C2 hervor, bei der das Magnetteil drei in Hub­ richtung hintereinanderliegende, abwechselnd orientierte Mag­ netpartien aufweist. Die Jochanordnung besteht aus zwei sepa­ raten U-förmigen Jochteilen, deren freie Schenkelenden die Polstücke bilden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine An­ triebsvorrichtung zu schaffen, die mit einem geringeren Auf­ wand herstellbar ist und gleichzeitig eine Verbesserung des Wirkungsgrades ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ledig­ lich zwei den Zwischenraum begrenzende Polstücke vorhanden sind, die über die Jochanordnung miteinander verbunden sind.

Dadurch, daß lediglich zwei Magnetpartien und keine Weichei­ senbereiche vorhanden sind, kann die bewegte Masse des An­ triebsteils sehr gering gehalten werden. Gleichzeitig kann die Antriebsvorrichtung eine große Stellkraft bewirken. Durch die über die Jochanordnung miteinander verbundenen Polstücke wird ein Rückschlußpfad gebildet, der den magnetischen Wir­ kungsgrad durch geringere Streuverluste verbessert. Bei glei­ chem Leistungsaufwand kann somit eine größere Stell- oder Hubkraft bewirkt werden. Hierbei besteht die Möglichkeit, daß die Antriebsvorrichtung in einem Arbeitsbereich mit im we­ sentlichen linearer Kraft-Hub-Kennlinie arbeitet.

Darüber hinaus ist bei der Antriebsvorrichtung eine automati­ sche magnetische Zentrierung vorgesehen. Wird Spulenstrom nach dem Ausführen eines Hubes des Antriebsteiles wieder ab­ geschaltet, so bewegt sich das Antriebsteil automatisch in seine Ausgangslage zurück. Eine gesonderte Rückstelleinrich­ tung kann daher entfallen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zweckmäßigerweise ist ein Abtriebsteil vorhanden, das mittels des Antriebsteiles verlagerbar ist. Als Abtriebsteil kommt beispielsweise ein Kolben eines Kolbenschieberventils in Be­ tracht, so daß die Antriebsvorrichtung als Stellantrieb z. B. für Proportional-Wegeventile dienen kann.

Zur Vereinfachung der Herstellung ist es hierbei vorteilhaft, wenn das Antriebsteil und das Abtriebsteil fest miteinander verbunden und insbesondere einstückig ausgeführt sind.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß das Antriebsteil einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Hierbei kann es beispiels­ weise plattenähnlich ausgebildet sein. Diese Bauform des An­ triebsteils kann dann zum Einsatz kommen, wenn eine insgesamt flachbauende Antriebsvorrichtung erreicht werden soll. Das Antriebsteil wird dann radial zur Hubrichtung verdrehgesi­ chert geführt.

Alternativ zur vorgenannten Ausführung ist es auch möglich, beim Antriebsteil einen kreisrunden Querschnitt vorzusehen, so daß dessen verdrehgesicherte Führung entfallen kann.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform weist das Ma­ gnetteil des Antriebsteiles in Hubrichtung eine größere Ab­ messung auf als die Polstücke. Insbesondere entspricht hier­ bei die Abmessung jeder Magnetpartie des Magnetteiles in Hubrichtung zumindest der Abmessung der Polstücke. Diese Aus­ führung hat zur Folge, daß der zwischen jeweils einem Polstück und dem Magnetteil befindliche Luftspalt in jeder Hublage des Antriebsteiles stets konstant ist, wodurch der magnetische Streufluß weiter reduziert und somit der Wir­ kungsgrad der Vorrichtung verbessert werden kann. Zusätzlich kann der Arbeitsbereich mit im wesentlichen linearer Kraft- Hub-Kennlinie vergrößert werden.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Abmessungen der Polstücke in Hubrichtung geringer sind als ihre Abmessungen quer zur Hubrichtung und quer zur Magnetisierungsrichtung in Querrichtung. Auf Grund dieser Dimensionierung sind kurze Hü­ be mit einer großen Stellkraft möglich. Zusammen mit den ge­ ringen bewegten Massen des Antriebsteiles kann eine gute An­ triebsdynamik erreicht werden.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn jedes Polstück von einer bestrombaren Spule ringförmig umgeben ist. Auf diese Weise lassen sich Antriebskraft und Antriebsdynamik der Antriebs­ vorrichtung steigern.

Die wenigstens eine Spule kann als Flachspule ausgeführt sein, deren Gestalt in etwa an die Umfangskontur des betref­ fenden Polstücks angepaßt ist und beispielsweise eine ovale Gestalt aufweist. Der Streufluß der Spule im bestromten Zu­ stand kann hierdurch verringert und der Wirkungsgrad der An­ triebsvorrichtung weiter vergrößert werden.

Dazuhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Jochanordnung eine im wesentlichen C-förmige Gestalt aufweist, so daß sie einen einfachen Rückschlußpfad zwischen den Polstücken bildet. Die­ se Ausführung ist eine einfache Möglichkeit die beiden Polstücke über die Jochanordnung miteinander zu verbinden.

Alternativ hierzu kann die Jochanordnung von zwei im wesent­ lichen E-förmigen Jochpartien gebildet sein, die über ihre beiden äußeren parallelen E-Schenkel miteinander verbunden sind, wobei die beiden mittleren E-Schenkel, die sich gegen­ überliegenden Polstücke darstellen, so daß die Jochanordnung einen doppelten Rückschlußpfad zwischen den Polstücken bil­ det. Aufgrund der hier über zwei verschiedene Rückschlußpfade verbundenen Polstücke ergibt sich ein besonders geringer und symmetrischer Streufluß, was einen weiter erhöhten Wirkungs­ grad der Vorrichtung mit sich bringt.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Antriebsvorrichtung einschließlich des angetriebenen Ventils in einer schematischen Schnittdarstellung, wobei die Schnittebene in Hubrichtung und in Magnetisierungs­ richtung verläuft gemäß der Schnittlinie I-I in Fig. 2 und

Fig. 2 die Antriebsvorrichtung und das angetriebene Ventil in einer schematischen Schnittdarstellung durch die Antriebsvorrichtung quer zur Hubrichtung gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektro­ magnetischen Antriebsvorrichtung 1 gezeigt, die über ein in Hubrichtung 2 hin- und herbewegbares Antriebsteil 3 verfügt, mittels dem ein Abtriebsteil 4 ebenfalls in Hubrichtung 2 verlagerbar bzw. verschiebbar ist.

Beispielsgemäß handelt es sich bei dem Abtriebsteil um einen Kolben 7 eines Kolbenschieberventils 8, das gemäß Fig. 1 als drei/drei-Wegeventil ausgeführt ist. Es versteht sich, daß alternativ hierzu, auch jeder beliebige andere Ventiltyp mit­ tels der Antriebsvorrichtung betätigt werden könnte. Mithin handelt es sich bei der bevorzugten Antriebsvorrichtung um einen Stellantrieb für Ventile, beispielsweise Proportional- Wegeventile.

Wie aus Fig. 1 weiterhin hervorgeht sind das Antriebsteil 3 und das Abtriebsteil 4 fest miteinander verbunden, wobei die­ se beispielsgemäß einstückig ausgeführt sind.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Antriebs­ vorrichtung 1 nicht ausschließlich zum Betätigen von Ventilen vorgesehen ist, sondern auch zur Betätigung von anderen Ein­ richtungen mit einem linear in Hubrichtung zu bewegenden Ab­ triebsteil eingesetzt werden kann.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Antriebsvorrichtung und das hierdurch betätigbare Kolbenschieberventil 8 lediglich in ei­ ner vereinfachten, schematischen Darstellung. In der Praxis kann die Antriebsvorrichtung 1 zur Bildung einer Handhabungs­ einheit mit dem Kolbenschieberventil 8 an dessen zugeordneter Stirnseite 11 angebracht sein, aus der das vom Kolben 7 ge­ bildete Abtriebsteil 4 herausragt.

Wie dies aus Fig. 2 hervorgeht, weist das Antriebsteil einen rechteckigen Querschnitt auf und ist sozusagen plattenähnlich flach ausgebildet. Alternativ hierzu könnte das Antriebsteil 3 auch einen kreisrunden Querschnitt aufweisen.

Der dem Abtriebsteil 4 entgegengesetzte Endabschnitt des An­ triebsteiles 3 ist von einem quer zur Hubrichtung 2 in Magne­ tisierungsrichtung 13 magnetisierten Magnetteil 14 gebildet. Das Magnetteil 14 besteht aus einer ersten Magnetpartie 15 und einer zweiten Magnetpartie 16 die ausgehend vom freien Ende 17 des Antriebsteiles 3 in Hubrichtung 2 hintereinander angeordnet sind. Die Magnetisierungen der beiden Magnetparti­ en 15, 16 sind in Magnetisierungsrichtung 13 entgegengesetzt orientiert, wobei gemäß Fig. 1 der Nordpol der ersten Ma­ gnetpartie 15 im Bild oben und deren Südpol darunter angeord­ net ist. Hingegen befindet sich bei der zweiten Magnetpartie 16 der Nordpol unterhalb des Südpols. Somit ist in Hubrich­ tung 2 gesehen jeweils der Nordpol einer Magnetpartie 15 bzw. 16 benachbart zum magnetischen Südpol der jeweils anderen Ma­ gnetpartie 16 bzw. 15 vorgesehen. Die Orientierung der Magne­ tisierungen der beiden Magnetpartien 15, 16 ist schematisch durch die Pfeile 18, 19 angedeutet.

Desweiteren verfügt die Antriebseinrichtung 1 über eine Jochanordnung 22, die über zwei in Magnetisierungsrichtung 13 auf entgegengesetzten Seiten des Antriebsteiles 3 bzw. des Magnetteiles 14 angeordnete Polstücke 23, 24 verfügt.

Die Polstücke 23, 24 liegen sich auf entgegengesetzten Seiten des Antriebsteiles 3 gegenüber und begrenzen somit einen zwi­ schen ihnen liegenden Zwischenraum 25, in dem das Antriebs­ teil 3 in Hubrichtung 2 hin- und herbewegbar geführt gelagert ist.

Die beiden Polstücke 23, 24 sind beispielsgemäß quader­ förmig konturiert, wobei ihre Abmessungen in Hubrichtung 2 geringer sind als ihre Abmessungen quer zur Hubrichtung 2 und quer zur Magnetisierungsrichtung 13 in Querrichtung 26. Diese Abmessungen sind insbesondere dann geeignet, wenn die An­ triebsvorrichtung 1 für kurze Hübe und große Stellkräfte aus­ gelegt ist.

In Querrichtung 26 gesehen entspricht die Abmessung des An­ triebsteiles 3 im wesentlichen den Abmessungen der beiden Polstücke 23, 24, wohingegen die Abmessung des Magnetteils 14 in Hubrichtung 2 größer ist als die der Polstücke 23, 24. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl die erste als auch die zweite Magnetpartie 15, 16 des Magnetteils 14 in Hubrichtung 2 gesehen zumindest so groß wie die Polstücke 23, 24. Es wird hierdurch gewährleistet, daß das Antriebsteil 3 bzw. das Magnetteil 4 in jeder möglichen Hublage des An­ triebsteiles 3 den Zwischenraum 25 zwischen den beiden Polstücken 23, 24 durchsetzt, so daß die beiden Spalte 29, 30 zwischen dem Magnetteil 14 und dem jeweiligen Polstück 23, 24 in jeder Hublage des Antriebsteiles 3 konstant sind.

Die beiden Polstücke 23, 24 sind über eine Rückschlußpartie 31 der Jochanordnung 22 miteinander verbunden. Die Rück­ schlußpartie 31 ist beim Ausführungsbeispiel in Umfangsrich­ tung um die Hubrichtung 2 gesehen, ringförmig geschlossen. Sie weist die Außenkontur eines Quaders auf, der in Hubrich­ tung 2 von einer im Querschnitt gesehen rechteckförmigen Öff­ nung vollständig durchbrochen ist. An den beiden sich in Ma­ gnetisierungsrichtung 13 gegenüberliegenden Innenflächen 32, 33 der Rückschlußpartie 31 sind die beiden Polstücke 23, 24 in etwa mittig vorgesehen und ragen nach innen hin in Rich­ tung des Antriebsteiles 3 weg. Die Polstücke 23, 24 und die Rückschlußpartie 31 sind beispielsgemäß einstückig ausge­ führt.

Anders ausgedrückt besteht die Jochanordnung 22 im vorliegen­ den Fall aus zwei im wesentlichen E-förmigen Jochpartien, die jeweils über ihre beiden äußeren parallelen E-Schenkel mit­ einander verbunden sind. Die beiden mittleren E-Schenkel der Jochpartien stellen bei dieser Betrachtungsweise die sich mit Abstand gegenüberliegenden Polstücke 23, 24 dar. Es handelt sich mithin sozusagen um eine Doppel-E-Jochanordnung.

Wie dies insbesondere aus Fig. 2 zu entnehmen ist, bildet die beispielsgemäße Rückschlußpartie 31 der Jochanordnung 22 zwei separate magnetische Rückschlußpfade zwischen den beiden Polstücken 23, 24.

Alternativ zum bevorzugten Ausführungsbeispiel könnte die Rückschlußpartie 31 auch lediglich einen einzigen Rückschluß­ pfad zwischen den beiden Polstücken 23, 24 bilden. Hierfür könnte sie beispielsweise eine U-förmige Gestalt aufweisen, wobei die beiden Polstücke 23, 24 an den freien Enden der Rückschlußpartie 31 sitzen. Die Jochanordnung 22 hätte dem­ nach insgesamt eine im wesentlichen C-förmige Gestalt.

Es versteht sich, daß in Abwandlung hierzu auch andere Form­ gebungen der Jochanordnung 22 bzw. der Rückschlußpartie 31 möglich sind.

Wenigstens eines der Polstücke 23, 24 und beim Ausführungs­ beispiel beide Polstücke 23, 24 sind von einer ringförmigen, bestrombaren Spule 37, 38 umgeben, deren Axialrichtung im we­ sentlichen der Magnetisierungsrichtung 13 entspricht. Die Spulen 37, 38 sind als sogenannte Flachspulen ausgeführt wo­ bei ihre Gestalt in etwa an die Umfangskontur der Polstücke 23, 24 angepaßt ist. Sie weisen daher eine längliche bzw. ovale Gestalt auf. Die Spulen 37, 38 sitzen innerhalb des von der Rückschlußpartie 31 der Jochanordnung 22 begrenzten In­ nenraumes und füllen die ringförmigen Aussparungen zwischen der Außenkontur der Rückschlußpartie 31 und dem jeweils zuge­ ordneten Polstück 23, 24 im wesentlichen aus.

Im folgenden wird auf die Funktionsweise der Antriebsvorrich­ tung näher eingegangen.

Das Antriebsteil 3 kann in Abhängigkeit vom Stromfluß in den Spulen 37, 38 verschiedene Hublagen einnehmen. In Fig. 1 ist die Ausgangslage des Antriebsteiles 3 bei unbestromten Spulen 37, 38 gezeigt. Das Magnetteil 14 richtet sich hierbei bezüg­ lich der Polstücke 23, 24 derart aus, daß die Trennebene zwi­ schen den Magnetpartien 15, 16 des Magnetteiles 14 in Hub­ richtung 2 mittig bezüglich der beiden Polstücke 23, 24 liegt.

Zum Ausführen eines Hubes des Antriebsteiles 3 ausgehend aus der Ausgangslage werden die Spulen 37, 38 jeweils gleichsin­ nig bestromt. Bildet sich zwischen den Spulen aufgrund der Stromflußrichtung ein Magnetfeld aus, dessen Feldlinien der Orientierung der ersten Magnetpartie 15 entsprechen, so be­ wegt sich das Antriebsteil in Hubrichtung 2 in Richtung auf das Kolbenschieberventil 8 zu, so daß dessen Kolben 7 in das Ventilgehäuse hineinbewegt wird. In Abhängigkeit von mögli­ chen bzw. definiert vorgegebenen Gegenkräften kann sich das Antriebsteil 3 soweit bewegen, bis sich die erste Magnetpar­ tie 15 in Hubrichtung 2 gesehen mittig im Bezug auf die Polstücke 23, 24 ausgerichtet hat.

Wird der Stromfluß in den Spulen 37, 38 wieder abgeschaltet, so erfolgt ein automatisches Rückstellen des Antriebsteiles 3 bis es seine in Fig. 1 dargestellte Ausgangslage wieder ein­ genommen hat.

Um einen Hub zum Ausfahren des Kolbens 7 des Kolbenschieber­ ventils 8 auszuführen wird die Stromrichtung in den beiden Spulen 37, 38 derart gewählt, daß das zwischen den Spulen 37, 38 gebildete Magnetfeld der Orientierung der zweiten Magnet­ partie 16 entspricht. Diese bewegt sich dann weiter in den Zwischenraum 25 hinein, wobei dieser Vorgang dem oben be­ schriebenen Hub in entgegengesetzter Richtung entspricht.

Nach dem Abschalten des Stromes erfolgt auch hier eine auto­ matische Zentrierung des Antriebsteiles 3 in seine Ausgangs­ lage.

Claims (14)

1. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung, mit einem in Hubrichtung (2) hin- und herbewegbaren Antriebsteil (3), das ein quer zur Hubrich­ tung (2) in Magnetisierungsrichtung (13) magnetisiertes Mag­ netteil (14) aufweist, das nur zwei entgegengesetzt magneti­ sierte, in Hubrichtung (2) hintereinander angeordnete Magnet­ partien (15, 16) aufweist und das in einem Zwischenraum (25) einer Jochanordnung (22) mit in Magnetisierungsrichtung (13) auf entgegengesetzten Seiten des Antriebsteiles (3) vorgese­ henen Polstücken (23, 24) angeordnet ist, wobei zumindest ei­ nes der Polstücke (23, 24) von einer zum Hervorrufen eines Hubes des Antriebsteiles (3) bestrombaren Spule (37, 38) ringförmig umgeben ist, deren Axialrichtung in etwa mit der Magnetisierungsrichtung (13) zusammenfällt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß lediglich zwei den Zwischenraum (25) begrenzen­ de Polstücke (23, 24) vorhanden sind, die über die Jochanord­ nungen (22) miteinander verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abtriebsteil, (4) vorhanden ist, das mittels des An­ triebsteiles (3) verlagerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Abtriebsteil (4) um einen Kolben (7) eines Kolbenschieberventils (8) handelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Antriebsteil (3) und das Abtriebsteil (4) fest miteinander verbunden und insbesondere einstückig ausgeführt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsteil (3) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsteil (3) plattenähnlich aus­ gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsteil (3) einen kreisrunden Querschnitt aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetteil (14) des Antriebsteiles (3) in Hubrichtung (2) eine größere Abmessung aufweist als die Polstücke (23, 24).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung jeder Magnetpartie (15, 16) des Magnetteils (14) in Hubrichtung (2) zumindest der Abmes­ sung der Polstücke (23, 24) entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Polstücke (23, 24) in Hubrichtung (2) geringer sind als ihre Abmessungen quer zur Hubrichtung (2) und quer zur Magnetisierungsrichtung (13) in Querrichtung (26).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Polstück (23, 24) von einer be­ strombaren Spule (37, 38) ringförmig umgeben ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Spule (37, 38) als Flachspule ausgeführt ist, deren Gestalt in etwa an die Um­ fangskontur des betreffenden Polstücks (23, 24) angepaßt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochanordnung (22) eine im wesentli­ chen C-förmige Gestalt aufweist, so daß sie einen einfachen Rückschlußpfad zwischen den Polstücken (23, 24) bildet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Jochanordnung (22) von zwei im we­ sentlichen E-förmigen Jochpartien gebildet ist, die über ihre beiden äußeren parallelen E-Schenkel miteinander verbunden sind, wobei die beiden mittleren E-Schenkel die sich gegen­ überliegenden Polstücke (23, 24) darstellen, so daß die Jochanordnung (22) einen doppelten Rückschlußgrad zwischen den Polstücken (23, 24) bildet.