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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Elektromagnetische Aktoren werden für vielfältige Anwendungen eingesetzt. Je nach Anwendung sollen die elektromagnetischen Aktoren einen großen Hub, eine große Stellkraft und/oder eine große Stellfrequenz haben.
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Die
DE 10 2009 038 730 A1 beschreibt die Konstruktion eines weichmagnetischen Kerns für einen elektromagnetischen Aktor aus einem Blechpaket, wobei die Einzelbleche des Blechpakets evolventenförmig gebogen sind. Dabei ist die Krümmung der Einzelbleche noch so gering gewählt, dass der magnetische Fluss im Wesentlichen entlang der Blechebenen fließen kann. Außerdem ist der Kern bzw. sein Blechpaket bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Ein derartiger Aufbau des weichmagnetischen Kerns aus einer blechartigen Struktur hat die Vorteile einer Wirbelstromreduzierung und damit einer Reduzierung der magnetischen Verluste im Aktor.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten elektromagnetischen Aktor mit einer großen Stellkraft zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektromagnetischen Aktor mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der elektromagnetische Aktor der vorliegenden Erfindung weist wenigstens einen ortsfesten, im Wesentlichen weichmagnetischen Kern; wenigstens einen im Wesentlichen weichmagnetischen Anker, welcher in einem Abstand (vorzugsweise Luftspalt) zu dem wenigstens einen Kern angeordnet ist; wenigstens ein Führungselement, an welchem der wenigstens eine Anker derart angebracht ist, dass er relativ zu dem wenigstens einen Kern in einer Bewegungsrichtung bewegbar ist; und wenigstens eine elektromagnetische Spule, welche in oder an dem wenigstens einen Kern derart angeordnet ist, dass der wenigstens eine Kern im bestromten Zustand der wenigstens einen Spule eine magnetische Anziehungskraft auf den wenigstens einen Anker ausübt, auf. Dabei ist der wenigstens eine Kern und/oder der wenigstens eine Anker im Wesentlichen aus einem Stapel von mehreren im Wesentlichen rechteckigen und im Wesentlichen deckungsgleichen Blechen gebildet, wobei sich die Bleche des Kerns bzw. des Ankers jeweils im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des wenigstens einen Ankers erstrecken.
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Erfindungsgemäß ist der wenigstens eine Kern und/oder der wenigstens eine Anker im Wesentlichen aus einem Stapel von mehreren im Wesentlichen rechteckigen und im Wesentlichen deckungsgleichen Blechen gebildet. D. h. der Kern und/oder der Anker bestehen im Wesentlichen aus einem im Wesentlichen quaderförmigen Blechpaket. Im Vergleich zu den herkömmlichen rotationssymmetrischen Konstruktionen von elektromagnetischen Ankern hat die Quaderform des Kerns bzw. des Ankers insbesondere in Verbindung mit der Herstellung aus einem Blechpaket den Vorteil einer einfacheren Herstellung. Die Einzelbleche des Blechpakets müssen weder gebogen noch in spezieller Weise geschnitten werden, wodurch die Herstellung vereinfacht und die Herstellungskosten deutlich reduziert werden können.
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Weiter erstrecken sich die Bleche des Kerns bzw. des Ankers erfindungsgemäß jeweils im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des wenigstens einen Ankers. Auf diese Weise wird erreicht, dass der durch die elektromagnetische Spule in ihrem bestromten Zustand erzeugte magnetische Fluss im Wesentlichen innerhalb der einzelnen Bleche bzw. Blechebenen fließen kann, d. h. die magnetischen Flusslinien die Blechebenen des Kerns bzw. des Ankers nicht kreuzen. Diese Konstruktion führt zu einer Minimierung der Wirbelstromverluste im Kern bzw. Anker, sodass mit dem elektromagnetischen Aktor der Erfindung größere Stellkräfte bzw. die gleichen Stellkräfte bei einer geringeren Leistungsaufnahme erzielt werden können. Außerdem kann mit dem erfindungsgemäßen Aktor eine hohe Bandbreite von bis zu über 100 Hz erreicht werden.
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Der elektromagnetische Aktor gemäß der Erfindung hat eine kompakte und robuste Konstruktion. Der Kern und/oder die Aktoren mit ihren Blechpaketen sind relativ einfach und kostengünstig herstellbar, minimieren aber gleichzeitig die Wirbelstromverluste. Weiter ist der erfindungsgemäße Aktor optimal, insbesondere auch linear regelbar. Außerdem ist ein geräuscharmer Betrieb des Aktors möglich und es kann auf zusätzliche Kühlsysteme verzichtet werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann genau ein Kern vorgesehen sein. Dieser eine Kern ist vorzugsweise einteilig oder mehrteilig ausgebildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch mehrere, vorzugsweise nebeneinander angeordnete bzw. aneinander angrenzende Kerne, insbesondere zwei, drei oder vier Kerne vorgesehen sein, welche vorzugsweise jeweils einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein können.
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Ebenso kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung genau ein Anker vorgesehen sein. Dieser eine Anker ist vorzugsweise einteilig oder mehrteilig ausgebildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Anker, insbesondere zwei, drei oder vier Anker vorgesehen sein, welche vorzugsweise jeweils einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der elektromagnetische Aktor weiter wenigstens einen im Wesentlichen weichmagnetischen weiteren Anker, welcher in einem weiteren Abstand (vorzugsweise Luftspalt) zu dem wenigstens einen Kern angeordnet ist, wobei der wenigstens eine weitere Anker auf einer dem wenigstens einen Anker abgewandten Seite des wenigstens einen Kerns angeordnet ist; wenigstens ein Führungselement, an welchem der wenigstens eine weitere Anker derart angebracht ist, dass er relativ zu dem wenigstens einen Kern in einer Bewegungsrichtung bewegbar ist; und wenigstens eine weitere elektromagnetische Spule, welche in oder an dem wenigstens einen Kern derart angeordnet ist, dass der wenigstens eine Kern im bestromten Zustand der wenigstens einen weiteren Spule eine magnetische Anziehungskraft auf den wenigstens einen weiteren Anker ausübt, auf. Mit dieser Ausgestaltung wird ein bidirektionales System geschaffen.
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In diesem Zusammenhang kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung genau ein weiterer Anker vorgesehen sein. Dieser eine weitere Anker ist vorzugsweise einteilig oder mehrteilig ausgebildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch mehrere weitere Anker, insbesondere zwei, drei oder vier weitere Anker vorgesehen sein, welche vorzugsweise jeweils einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine weitere Anker relativ zu dem wenigstens einen Anker ortsfest angeordnet, sodass sich die beiden Anker gemeinsam bewegen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der wenigstens eine Anker und der wenigstens eine weitere Anker an wenigstens einem gemeinsamen Führungselement angebracht und sind die Bewegungsrichtung des wenigstens einen Ankers und die Bewegungsrichtung des wenigstens einen weiteren Ankers im Wesentlichen übereinstimmend bzw. parallel zueinander. Auf diese Weise kann ein gemeinsames Ankersystem für einen bidirektionalen Aktor geschaffen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der wenigstens eine Anker, der wenigstens eine Anker und der wenigstens eine weitere Anker in der Bewegungsrichtung der Anker (vorzugsweise im Wesentlichen deckungsgleich) über- oder nebeneinander angeordnet und ist das gemeinsame Führungselement in der Form eines Stößels ausgebildet, welcher im Wesentlichen mittig zum Kern und zu den Ankern und im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung der Anker angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein kompakter Aufbau für einen bidirektionalen Aktor geschaffen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auch der wenigstens eine weitere Anker im Wesentlichen aus einem Stapel von mehreren im Wesentlichen rechteckigen und im Wesentlichen deckungsgleichen Blechen gebildet, wobei sich diese Bleche des weiteren Ankers jeweils im Wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des wenigstens einen weiteren Ankers erstrecken.
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Gemäß der Erfindung ist insbesondere der Kern des Aktors aus einem Blechpaket gebildet. Zur weiteren Wirbelstromreduzierung können zudem der Anker oder – falls vorhanden – beide Anker ebenfalls aus einem Blechpaket gebildet sein. Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung auch denkbar, nur den Anker oder – falls vorhanden – einen oder beide Anker aus einem Blechpaket zu bilden. Die nicht aus einem Blechpaket gebildeten Komponenten können vorzugsweise aus einem Vollmaterial (z. B. Stahllegierung, vorzugsweise Permenorm®) gefertigt werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, den Kern, den Anker bzw. den weiteren Anker nur teilweise aus einem Blechpaket und im Übrigen aus einem Vollmaterial zu bilden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der wenigstens eine Kern wenigstens zwei im Wesentlichen geradlinige und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Spulenausnehmungen auf, in welchen jeweils ein Abschnitt der wenigstens einen Spule angeordnet ist. Falls zwei Anker beidseitig des Kerns vorhanden sind weist der wenigstens eine Kern zudem zwei im Wesentlichen geradlinige und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende weitere Spulenausnehmungen auf, in welchen jeweils ein Abschnitt der wenigstens einen weiteren Spule angeordnet ist. Die genannten Spulenausnehmungen und weiteren Spulenausnehmungen sind vorzugsweise in Form von Nuten oder dergleichen in der dem jeweiligen Anker zugewandten Seite des Kerns ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft eine Stapelrichtung der Bleche des wenigstens einen Kerns bzw. des wenigstens einen Ankers bzw. des wenigstens einen weiteren Ankers (je nachdem welche Komponenten vorhanden und aus einem Blechpaket gebildet sind) im Wesentlichen quer zur Längsrichtung der Spulenausnehmungen und ggf. weiteren Spulenausnehmungen. Auf diese Weise wird erreicht, dass der von den Spulen im bestromten Zustand erzeugte magnetische Fluss im Wesentlichen innerhalb der jeweiligen Blechebenen fließen kann und die Flusslinien nicht die Blechebenen kreuzen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der wenigstens eine Ankers bzw. der wenigstens eine weitere Anker mit wenigstens einer im Wesentlichen quer zu einer Stapelrichtung der Bleche verlaufenden Ausnehmung ausgebildet und ist wenigstens ein Trägerelement in diese wenigstens eine Ausnehmung eingesetzt und mit den Blechen des jeweiligen Ankers fest verbunden. Die Ausnehmung ist vorzugsweise in Form einer Nut, insbesondere einer im Wesentlichen geradlinigen Nut oder dergleichen ausgebildet. Die Ausnehmung ist dabei vorzugsweise auf der dem Kern zugewandten Seite des jeweiligen Ankers ausgebildet. Das Trägerelement ist vorzugsweise in dieser Ausnehmung des jeweiligen Ankers eingeklebt oder vergossen. Diese Konstruktion des Ankers bzw. des weiteren Ankers erhöht die mechanische Stabilität des jeweiligen Ankers. Dies ist insbesondere von Vorteil, da es sich bei den Ankern um bewegte Komponenten des elektromagnetischen Aktors handelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das wenigstens eine Trägerelement des jeweiligen Ankers mit dem jeweiligen oder dem gemeinsamen Führungselement fest verbunden. Bei dieser Konstruktion dient somit das Trägerelement, welches der Versteifung des jeweiligen Ankers dient, zugleich der Anbindung des Ankers an das Führungselement. Dies kann die mechanische Stabilität des gesamten bewegten Ankersystems des elektromagnetischen Aktors weiter erhöhen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das wenigstens eine Trägerelement des wenigstens einen Ankers bzw. des wenigstens einen weiteren Ankers aus einem mechanisch(hoch)festen Material. Wird das Trägerelement dabei aus einem weichmagnetischen Material gebildet, dann wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt, wird das Trägerelement hingegen aus Edelstahl oder einem anderen nicht magnetischen Material gebildet, so entstehen im Trägerelement keine Wirbelströme.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Bleche des wenigstens einen Kerns bzw. des wenigstens einen Ankers bzw. des wenigstens einen weiteren Ankers (je nachdem welche Komponenten vorhanden sind aus einem Blechpaket bestehen) im Wesentlichen aus so genanntem Elektroblech (zum Beispiel FeSi-Legierung mit weichmagnetischen Eigenschaften) oder einer höherwertigen weichmagnetischen Legierung. Vorzugsweise bestehen die Bleche aus einem der Materialien, die in der
DE 10 2009 038 730 A1 beschrieben sind, auf welche Druckschrift in Bezug auf die Materialien für die Einzelbleche der Blechpakete hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Bleche des wenigstens einen Kerns bzw. des wenigstens einen Ankers bzw. des wenigstens einen weiteren Ankers (je nachdem welche Komponenten vorhanden sind und aus einem Blechpaket gebildet sind) jeweils zumindest auf einer Seite eine elektrisch isolierende Beschichtung auf. Diese Beschichtung der Bleche kann zu einer weiteren Verminderung der Wirbelstrombildung in dem Kern bzw. den Ankern führen. Je nach Bedarf und Beschichtungstechnik können die Einzelbleche auch auf beiden Seiten mit einer solchen Beschichtung versehen sein. Vorzugsweise besteht die Beschichtung aus einem der Materialien, die in der
DE 10 2009 038 730 A1 offenbart sind, auf welche Druckschrift in Bezug auf die Materialien für die isolierende Beschichtung der Einzelbleche der Blechpakete hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird. Vorzugsweise besteht die Beschichtung der Bleche aus so genanntem Backlack, sodass die mehreren Bleche des Blechpakets miteinander verbacken werden können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Bleche des wenigstens einen Kerns bzw. des wenigstens einen Ankers bzw. des wenigstens einen weiteren Ankers (je nachdem welche Komponenten vorhanden und aus einem Blechpaket gebildet sind) in ihrer Stapelrichtung fest miteinander verbunden. Vorzugsweise können die Einzelbleche miteinander verklebt, verbacken oder vergossen sein. Vorteilhaft können die isolierenden Beschichtungen der Einzelbleche beim Zusammensetzen des Blechpakets aufgeschmolzen werden und die Einzelbleche miteinander verbinden. Zur Herstellung eines derartigen Blechpakets für einen Kern oder Anker kann vorzugsweise die so genannte Backlacktechnik angewendet werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Permanentmagnet derart in oder an dem wenigstens einen Kern angeordnet, dass er den wenigstens einen Anker magnetisch anzieht. Bei den Ausführungsformen, bei denen auch wenigstens ein weiterer Anker vorgesehen ist, ist vorzugsweise auch wenigstens ein weiterer Permanentmagnet derart in oder an dem wenigstens einen Kern angeordnet, dass er den wenigstens einen weiteren Anker magnetisch anzieht. Die genannten Permanentmagnete können die jeweiligen Anker magnetisch vorspannen. Auf diese Weise kann die Leistungsaufnahme der Spulen reduziert werden, was wiederum zu einer geringeren Wärmeentwicklung im Betrieb des Aktors führt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der wenigstens eine Kern wenigstens eine im Wesentlichen geradlinige Magnetenausnehmung auf, in welcher dieser wenigstens eine Permanentmagnet angeordnet, und weist ggf. der wenigstens eine Kern wenigstens eine im Wesentlichen geradlinige weitere Magnetenausnehmung auf, in welcher der wenigstens eine weitere Permanentmagnet angeordnet ist. Die (weitere) Magnetausnehmung verläuft dabei im Wesentlichen parallel zu den jeweiligen Spulenausnehmungen. In Bezug auf die Mitte des Kerns können die Permanentmagnete wahlweise außerhalb und/oder innerhalb der Spulenabschnitte angeordnet sein. Ferner ist in die geradlinige (weitere) Magnetausnehmung vorzugsweise ein langer, balkenförmiger Permanentmagnet eingesetzt. Vorteilhaft können in die geradlinige (weitere) Magnetausnehmung auch mehrere kleinere Permanentblöcke eingesetzt und aneinander gereiht werden, was die Herstellungskosten der Permanentmagnete senkt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens ein Federelement, welches den wenigstens einen Anker in eine Ruhestellung relativ zu dem wenigstens einen Kern vorspannt, und – falls wenigstens ein weiterer Anker vorhanden ist – wenigstens ein weiteres Federelement, welches den wenigstens einen weiteren Anker in eine Ruhestellung relativ zu dem wenigstens einen Kern vorspannt, vorgesehen. Die Federelemente können das gesamte Ankersystem stabilisieren und auf diese Weise die Ansteuerung der von dem Aktor zu erzeugenden Stellkräfte und Hübe optimieren.
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Ein besonderer Vorteil kann im Vorsehen der Federelemente einer Funktionskombination aus Federung und Führung des wenigstens einen Führungselements und damit der Anker liegen. Hierdurch kann eine Funktionsintegration erzielt werden, wodurch ein kompakterer Aufbau des elektromagnetischen Aktors realisiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Federsteifigkeit des jeweiligen Federelements größer als seine magnetische Steifigkeit.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das jeweilige Federelement in Form einer Federmembran ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens eine Spule und die wenigstens eine weitere Spule unabhängig voneinander ansteuerbar. Auf diese Weise können Nichtlinearitäten in den Bewegungsabläufen der beiden Anker relativ zum Kern ausgeglichen werden. Als Ergebnis kann die Ansteuerung der von dem elektromagnetischen Aktor zu erzeugenden Stellkräfte und Hübe optimiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Messeinrichtung vorgesehen, die wenigstens eine mit dem durch die wenigstens eine Spule bzw. die wenigstens eine weitere Spule erzeugten magnetischen Fluss zusammenhängenden Messgröße erfassen soll. Die jeweilige Spule ist dann in Abhängigkeit von dieser wenigstens einen Messgröße ansteuerbar. Als Messgröße sind vorzugsweise ein Spulenstrom, eine Spaltbreite, eine Ankerbeschleunigung oder ein magnetischer Fluss selbst geeignet.
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Der oben beschriebene elektromagnetische Aktor der Erfindung kann in besonders vorteilhafter Weise in einem Prüfstand für Kraftfahrzeuge oder dergleichen, insbesondere für Vibrationstests oder Störgeräuschetests eingesetzt werden. Ein solcher Testaufbau für einen Vibrationstest eines Kraftfahrzeugs weist wenigstens eine Aufbockvorrichtung zum Aufbocken des Kraftfahrzeugs über seine Räder und wenigstens einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor, welcher mit einer Karosserie des Kraftfahrzeugs (mittelbar oder unmittelbar) wirkverbunden ist, auf. Vorzugsweise ist der wenigstens eine elektromagnetische Aktor über eine Kopplungsstange mit der Karosserie des Kraftfahrzeugs verbunden.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktor ermöglicht aufgrund seiner hohen Stellkräfte und hohen Bandbreite eine direkte Ankopplung an die Karosserie eines Kraftfahrzeugs. Im Gegensatz zu herkömmlichen Prüfständen, bei denen die Aktoren in die Aufbockvorrichtungen integriert sind und damit die erzeugten Schwingungen und Vibrationen zunächst von den Rädern und den Stoßdämpfern absorbiert werden, kann auf diese Weise unmittelbar das Verhalten der Fahrzeugkarosserie und der mit ihr verbundenen Komponenten getestet werden.
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Obige sowie weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Testaufbaus für Kraftfahrzeuge, bei welchem die elektromagnetischen Aktoren gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise zum Einsatz kommen können;
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2 eine schematische Schnittansicht eines elektromagnetischen Aktors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine schematische Draufsicht eines Kerns des elektromagnetischen Aktors von 2;
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4 eine schematische Perspektivansicht eines Ankers bzw. weiteren Ankers des elektromagnetischen Aktors von 2; und
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5 eine schematische Schnittansicht des Ankers bzw. weiteren Ankers von 4 in Verbindung mit einem Führungselement.
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1 zeigt einen Testaufbau für einen Vibrationstest, insbesondere einen Störgeräuschetest, zum Beispiel in Form einer so genannten BSR-Analyse (buzz, squeak and rattle) eines Kraftfahrzeugs. Bei einem solchen Vibrationstest wird eine Straßenfahrt eines zu untersuchenden Kraftfahrzeugs simuliert und werden die Auswirkungen auf die verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs beobachtet.
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Wie in 1 veranschaulicht, wird das Kraftfahrzeug 100 vorzugsweise an seinen Rädern mit Hilfe von Aufbockvorrichtungen 110 aufgebockt. Unter dem Kraftfahrzeug 100 werden sodann mehrere (in diesem Beispiel vier) elektromagnetische Aktoren 120 angeordnet, welche jeweils mit einer Kopplungsstange 125 verbunden sind, welche beispielsweise an den Wagenheber-Angriffspunkten des Kraftfahrzeugs angreifen. Bei dieser Versuchsanordnung wirken die Aktoren somit direkt auf die Karosserie des Kraftfahrzeugs ein.
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Um mit einer derartigen Testanordnung eine Straßenfahrt simulieren zu können, sind elektromagnetische Aktoren erforderlich, die große Stellkräfte, relativ geringe Hübe und hohe Stellfrequenzen realisieren können. Für diesen Zweck können daher die elektromagnetischen Aktoren gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
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Der Aufbau eines elektromagnetischen Aktors gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf die 2 bis 5 näher erläutert.
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Der Aktor weist ein stationäres Gehäuse 10 auf, in dem ein weichmagnetischer Kern 12 angeordnet ist. Der Kern 12 ist an dem Gehäuse 10 befestigt und somit ortsfest. Der Kern 12 ist mittig mit einer Ausnehmung 14 versehen, durch welche sich ein Führungselement in Form eines Stößels 16 hindurch erstreckt. Der Stößel 16 hat dabei einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser der Ausnehmung 14, sodass sich der Stößel 16 relativ zu dem Kern 12 in der Ausnehmung 14 bewegen kann.
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Wie aus den 2 und 3 ersichtlich, ist der Kern 12 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Dabei besteht der Kern 12 im Wesentlichen aus einem Blechpaket, d. h. aus einem Stapel von im Wesentlichen rechteckigen und im Wesentlichen deckungsgleichen Blechen 34. Die Stapelrichtung 35 dieser Bleche 34 ist im Wesentlichen quer zur Längsachse des sich durch die Ausnehmung 14 erstreckenden Stößels 16. In einer alternativen Ausführungsform ist auch eine zumindest teilweise Ausbildung des Kerns 12 aus Vollmaterial möglich.
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Hinsichtlich des Materials dieser Bleche
34 und ihrer vorzugsweise vorhandenen isolierenden Beschichtung wird an dieser Stelle nochmals auf die bereits mehrfach genannte
DE 10 2009 038 730 A1 verwiesen. Beispielsweise können die Bleche
34,
36 aus einer NiFe- oder CoFe-Legierung (z. B. Premenorm
® oder Vacoflux
®) bestehen und mit so genanntem Backlack ein- oder beidseitig beschichtet sein.
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Die Stabilität des Kerns 12 ergibt sich aus der festen Verbindungen der Bleche 34 miteinander sowie der Befestigung des Blechpakets des Kerns 12 an dem Gehäuse 10 des elektromagnetischen Aktors.
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Der elektromagnetische Aktor dieses Ausführungsbeispiels ist bidirektional ausgebildet. Er weist deshalb einen ersten Anker 26, der auf der einen Seite des Kerns 12 (oben in 2) angeordnet ist, und einen zweiten Anker 28, der auf der anderen, dem ersten Anker 26 abgewandten Seite des Kerns 12 (unten in 2) angeordnet ist, auf. Die beiden Anker 26, 28 sind jeweils im Wesentlichen platten- bzw. scheibenförmig ausgebildet und haben im Wesentlichen die gleiche Grundfläche wie der Kern 12, sodass der Kern 12 und die beiden Anker 26, 28 im Wesentlichen deckungsgleich übereinander angeordnet werden können.
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Wie in den 4 und 5 zu erkennen, weisen die Anker 26, 28 jeweils eine im Wesentlichen mittige Durchbrechung 39 auf, durch welche sich der Führungsstößel 16 hindurch erstreckt. Die Anker 26, 28 sind im Bereich dieser Durchbrechungen 39 jeweils an dem Stößel 16 befestigt, sodass dieser Stößel 16 als gemeinsames Führungselement für die beiden Anker 26, 28 dient und sich die beiden Anker 26, 28 gemeinsam relativ zu dem Kern 12 bewegen können.
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Wie in 4 angedeutet, bestehen auch die beiden Anker 26, 28 im Wesentlichen aus einem Blechpaket, d. h. aus einem Stapel von im Wesentlichen rechteckigen und im Wesentlichen deckungsgleichen Blechen 36. Die Stapelrichtung 37 dieser Bleche 36 ist ebenfalls im Wesentlichen quer zur Längsachse des sich durch die Durchbrechungen 39 erstreckenden Stößels 16. Aus der Zusammenschau der 2 bis 5 ist außerdem zu erkennen, dass die Bleche 36 der Anker 26, 28 im Wesentlichen parallel zu den Blechen 34 des Kerns 12 verlaufen, d. h. die Stapelrichtungen 35, 37 der Blechpakete von Kern 12 und Ankern 26, 28 im Wesentlichen parallel zueinander sind.
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In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) können der Anker 26 und/oder der weitere Anker 28 auch aus einem Vollmaterial gefertigt sein.
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Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität der Anker 26, 28 sind diese jeweils mit einer Nut 38 ausgebildet, die auf der dem Kern 12 zugewandten Seite des Ankers 26, 28 ausgebildet ist. Diese Nut 38 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 37 der Bleche 36.
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In diese Nut 38 des Ankers 26, 28 ist ein Trägerelement 40 eingesetzt. Dieses Trägerelement 40 kreuzt alle Bleche 36 und kann so durch eine feste Verbindung mit dem Blechpaket die Stabilität des jeweiligen Ankers 26, 28 erhöhen. Das Trägerelement 40 ist zum Beispiel aus Edelstahl oder einer Legierung (z. B. Permeron®) gebildet. Da der Anker 26, 28 im Betrieb des Aktors vom Kern 12 angezogen wird, kann der Ablösung des Trägerelements 40 aus der Nut 38 entgegengewirkt werden.
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Das Trägerelement 40 verläuft im Wesentlichen in der Mitte durch den Anker 26, 28, sodass es die Durchbrechung 39 kreuzt. Da das Trägerelement 40 breiter als diese Durchbrechung 39 ausgebildet ist, kann der Anker 26, 28 mit Hilfe des Trägerelements 40 an dem sich durch die Durchbrechung 39 erstreckenden Stößel 16 befestigt werden.
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Die beiden Anker 26, 28 sind jeweils in einem Abstand 42 bzw. 44, insbesondere in Form eines Luftspaltes, zu dem Kern 12 angeordnet. Diese Luftspalte 42, 44 ermöglichen eine Durchströmung des Aktors während seines Betriebs und bewirken auf diese Weise eine Kühlung, insbesondere auch im Bereich der Spulen 18, 20. Es kann somit auf zusätzliche Kühlsysteme verzichtet werden, wodurch zusätzliche Kosten, zusätzlicher Bauraum und zusätzliche Geräuschentwicklungen vermieden werden können.
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Außerdem sind die beiden Anker 26, 28 von der Innenwandung des Gehäuses 10 beabstandet, sodass sie sich relativ zu dem Gehäuse 10 und zu dem mit diesem verbundenen Kern 12 in der Bewegungsrichtung 27 (Oben/Unten-Richtung in 2) bewegen können.
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Zurück zu 2 und 3 ist der Kern an seiner dem ersten Anker 26 zugewandten Seite mit zwei nutenförmigen Ausnehmungen 29 ausgebildet, in welchen jeweils ein Abschnitt einer ersten elektromagnetischen Spule 18 angeordnet ist. Parallel zu diesen Spulenausnehmungen 29 ist jeweils eine nutenförmige Ausnehmung 31 in dem Kern 12 ausgebildet, in der ein oder mehrere Permanentmagnete 22a, 22b angeordnet sind. In gleicher Weise ist der Kern 12 an seiner dem zweiten Anker 28 zugewandten Seite mit zwei nutenförmigen Ausnehmungen 29 ausgebildet, in welchen jeweils ein Abschnitt einer zweiten elektromagnetischen Spule 20 angeordnet ist. Parallel zu diesen weiteren Spulenausnehmungen 29 ist jeweils eine weitere nutenförmige Ausnehmung 31 in dem Kern 12 ausgebildet, in der ein oder mehrere weitere Permanentmagnete 24a, 24b angeordnet sind.
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Die Spulenausnehmungen 29 für die erste Spule 18 und die Spulenausnehmungen für die zweite Spule 20 sind im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet. Ebenso sind die Magnetausnehmungen 31 für die ersten Permanentmagnete 22a, 22b und die Magnetausnehmungen 31 für die zweiten Permanentmagnete 24a, 24b im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Permanentmagnete 22a, 22b bzw. 24a, 24b in Bezug auf den mittigen Führungsstößel 16 außerhalb der Spulenabschnitte 18, 20 angeordnet. Alternativ können die Permanentmagnete ach innerhalb der Spulenabschnitte angeordnet werden. Ebenso sind Kombinationen dieser Positioniervarianten denkbar.
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Ferner können in die Magnetausnehmungen 31 und die weiteren Magnetausnehmungen 31 zum Beispiel lange, balkenförmige Permanentmagnete 22a, 22b, 24a, 24b eingesetzt werden. Kostengünstiger ist jedoch das Einsetzen von Reihen von kleineren Permanentmagnetblöcken bzw. -quadern.
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Zur Minimierung der Wirbelstromverluste sind die Bleche 34, 36 des Kerns 12 und der Anker 26, 28 so angeordnet, dass der magnetische Fluss, erzeugt durch die Permanentmagnete 22a, 22b, 24a, 24b und die bestromten Spulen 18, 20, im Wesentlichen entlang der Blechebenen fließen kann, ohne dass die Flusslinien die Bleche 34, 36 kreuzen. Zu diesem Zweck sind die Spulenausnehmungen 29 und die Magnetausnehmungen 31 jeweils im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung 35, 37 der Bleche 34, 36 des Kerns 12 und der Anker 26, 28 ausgerichtet.
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Im bestromten Zustand der Spulen 28, 20 zieht der Kern 12 durch den erzeugten magnetischen Fluss, dessen Flusslinien im Wesentlichen senkrecht zur Querschnittsfläche des Kern/Luftspalt-Überganges verlaufen, den ersten bzw. Anker 26, 28 an. Diese magnetische Anziehung der Anker 26, 28 wird durch die Permanentmagnete 22a, 22b, 24a, 24b unterstützt, da sich die Flusslinien der Permanentmagnete und der Spulen überlagern. Mit anderen Worten bewirken diese Permanentmagnete 22a, 22b, 24a, 24b eine permanentmagnetische Vorspannung des Aktors.
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Durch eine geeignete Ansteuerung der beiden Spulen 18, 20, vorzugsweise unabhängig voneinander, kann das Ankersystem, bestehend aus dem Stößel 16 und den beiden Ankern 26, 28, hin und her (in 2 nach oben und unten) bewegt werden und so eine Schwingungsbewegung bzw. Vibration erzeugen. Zur Optimierung dieser Ansteuerung ist vorzugsweise eine Messeinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, welche zum Beispiel den Spulenstrom, die Größe des Luftspaltes 42, 44, die Beschleunigung des Ankers 26, 28 und/oder eine andere mit dem magnetischen Fluss zusammenhängende Größe erfasst und an die Steuerung ausgibt.
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Auf diese Weise können insbesondere Nichtlinearitäten in der Bewegung des Ankersystems 16, 26, 28 ausgeregelt werden (welche sich zum Beispiel aus den wechselweise größer und kleiner werdenden Luftspalten 42, 44 und den daraus resultierenden Änderungen des magnetischen Widerstandes ergeben) und beliebige Trajektorien im Arbeitsbereich des Aktors nachgefahren werden.
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Wie in 2 dargestellt, sind ferner ein erstes und ein zweites Federelement 30, 32 jeweils in Form einer Federmembran vorgesehen. Die erste Federmembran 30 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zum ersten Anker 26 und ist mittig an dem Führungsstößel 16 und außen an dem Gehäuse 10 befestigt. In gleicher Weise erstreckt sich die zweite Federmembran 32 im Wesentlichen parallel zum zweiten Anker 28 und ist ebenfalls mittig an dem Führungsstößel 16 und außen an dem Gehäuse 10 befestigt. Diese beiden Federmembrane 30, 32 führen den Stößel 16 und stabilisieren das bewegliche Ankersystem 16, 26, 28. Die Federsteifigkeit dieser Federmembrane 30, 32 sollte deshalb größer als ihre magnetische Steifigkeit sein.
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Mit dem anhand der 2 bis 5 beschriebenen, vorzugsweise bidirektionalen und linearen elektromagnetischen Aktor lassen sich zum Beispiel Stellkräfte im Bereich von bis zu über 8 kN, Hübe im Bereich von bis zu ±3,5 mm und Stellfrequenzen im Bereich von 0 bis über 100 Hz realisieren. Dieser Aktor kann deshalb in vorteilhafter Weise für einen anhand von 1 beschriebenen Vibrationstest für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009038730 A1 [0003, 0024, 0025, 0049]
