DE202017001635U1

DE202017001635U1 - Mechanical-electromagnetic flip-flop for the fastest possible switching operations

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Publication number: DE202017001635U1
Application number: DE202017001635.4U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: DE102018002524A1

Abstract

Bistabiles mechanisch-magnetisches FlipFlop bestehend aus wenigstens zwei magnetischen Kreisen und einer Ankerscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerscheibe vor, während und nach jeglichen Schaltvorgängen stets eine zeitlich und räumlich quasi konstant hohe gleichsinnige Durchflutung aufweist und durch eine in Bezug auf Zeitdauer und Impulshöhe vergleichsweise kleine differentielle Durchflutung in dem jeweiligen schaltenden magnetischen Kreis in kürzest möglicher Zeit von einer stabilen Hubendlage in die jeweils andere Hubendlage geschaltet wird.Bistable mechanical-magnetic flip-flop consisting of at least two magnetic circuits and an armature disc, characterized in that before, during and after any switching operations, the armature disc always has a temporally and spatially quasi-constant high in-directional flooding and by a comparatively small in terms of time duration and pulse height differential flooding in the respective switching magnetic circuit is switched in the shortest possible time from a stable Hubendlage in the other end of each stroke.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein bistabiles mechanisch-elektromagnetisches FlipFlop mit quasi konstanter Flussführung, welche schnellst mögliche Schaltvorgänge ohne die Verwendung mechanischer Hilfsmittel gewährleistet, weil eine minimale Flussänderung im Anker dazu führt, dass einerseits extrem schelle Schaltvorgänge realisiert werden, bei gleichzeitiger stabiler Ankerlage vor und nach einem jeweiligen Schaltvorgang mit höchst möglicher Haltekraft, die zwei stabile Zustände der Ankeranordnung im Raum aufweist. Kennzeichnend ist, dass durch einen quasi konstanten Fluss im Anker zwischen den jeweils stabilen Haltezuständen bei minimalem Energieaufwand geringster Impulse, die von zwei oder mehr Spulenanordnungen ausgelöst werden, in kürzester Zeit hin- und hergeschaltet werden kann. Jeder der beiden stabilen Zustände ist unabhängig von seiner Vorgeschichte und bleibt ohne Zuführung jeglicher elektrischer Energie beliebig lange stromlos erhalten. Der durchlaufene Weg zwischen den beiden stabilen Zuständen kann entweder durch eine Translation oder eine Rotation beschrieben werden oder aber durch eine stetige Kurve im Raum. Während der Bewegung arbeitet die Ankeranordnung als Aktor, indem sie Kräfte auf ihre Umgebung ausübt. In den beiden Endlagen zeigt die Ankeranordnung ein Beharrungsvermögen, welches üblicherweise durch eine Haltekraft bzw. ein Rastmoment charakterisiert wird. Die einfachste technische Realisierung betrifft beispielsweise einen Umkehrhubmagnet oder ein Drehpendel.The present invention relates to a bistable mechanical-electromagnetic flip-flop with quasi-constant flux guidance, which ensures the fastest possible switching operations without the use of mechanical aids, because a minimal change in flux in the armature causes, on the one hand extremely fast switching operations are realized, while a stable anchorage before and after a respective switching operation with the highest possible holding force, which has two stable states of the armature arrangement in space. It is characteristic that can be switched by a quasi-constant flow in the armature between the respective stable holding states with minimal energy input smallest impulses, which are triggered by two or more coil assemblies, in no time back and forth. Each of the two stable states is independent of its prehistory and remains de-energized for any length of time without supply of any electrical energy. The traversed path between the two stable states can be described either by a translation or a rotation or by a continuous curve in space. During movement, the armature assembly operates as an actuator by applying forces to its environment. In the two end positions, the armature arrangement shows a steady state, which is usually characterized by a holding force or a cogging torque. The simplest technical realization relates, for example, to a reversing-stroke magnet or a rotary pendulum.

Technische Grundlagentechnical basics

Die Theorie der FlipFlops ist in der elektrischen Schaltungstechnik ein grundlegender Beitrag zum Verständnis digitaler Schaltungen mit inneren Zuständen. Es gibt dort Varianten für bistabilen sowie für monostabilen Betrieb, aber auch solche, bei denen sich die möglichen inneren Zustände periodisch abwechseln, so genannte Multivibratoren.The theory of flip-flops is a fundamental contribution to the understanding of digital circuits with internal states in electrical circuit technology. There are variants for bistable as well as for monostable operation, but also those in which the possible internal states alternate periodically, so-called multivibrators.

Zur Charakterisierung der prinzipiellen Eigenschaften eines bistabilen mechanisch-elektromagnetischen FlipFlops wird daher im folgenden eine ägivalente Schaltung aus der emittergekoppelten Schaltungstechnik herangezogen, welche in der englischen Fachliteratur auch unter dem Begriff Current Mode Logic (kurz: CML, deutsch Stromschaltlogik) bekannt ist. Diese Bezeichnung rührt daher, dass die Arbeitsströme der einzelnen Transistoren durch Stromquellen vorgegeben werden, sich also im Arbeitspunkt nicht ändern. Dadurch werden diese Transistoren prinzipiell bei ihrer höchsten, erzielbaren Schaltgeschwindigkeit betrieben. In ist eine CML-Grundstufe beispielhaft dargestellt (Darstellung Wikipedia).To characterize the basic characteristics of a bistable mechanical-electromagnetic flip-flop, an equivalent circuit from the emitter-coupled circuit technique is therefore used in the following, which is also known in the English technical literature under the term Current Mode Logic (short: CML, German Stromschaltlogik). This designation is due to the fact that the working currents of the individual transistors are given by current sources, ie do not change at the operating point. As a result, these transistors are principally operated at their highest achievable switching speed. In is a CML basic level exemplified (representation Wikipedia).

zeigt eine mögliche Darstellung eines Current Mode FlipFlop mit vier direktverbundenen NPN-Bipolartransistoren. In dieser Schaltung soll der Flipflop-Kern Q1, Q2 einer Ankerscheibe entsprechen; Die Collector-Emitterstrecken von Q1 bzw. Q2 stellen die beiden Polflächen der Ankerscheibe dar. Der Strom durch die gesamte Ankerscheibe wird durch eine Stromquelle konstant gehalten (1 mAdc im Beispiel) und er soll die mittlere, konstante magnetische Durchflutung repräsentieren, die in dem mechanisch-elektromagnetischen Flip-Flop durch einen Dauermagneten erzeugt wird. shows a possible representation of a current mode flip-flop with four direct-connected NPN bipolar transistors. In this circuit, the flip-flop core Q1, Q2 should correspond to an armature disk; The collector-emitter paths of Q1 and Q2 respectively represent the two pole faces of the armature disk. The current through the armature disk is kept constant by a current source (1 mAdc in the example) and it should represent the mean, constant magnetic flux in the mechanical Electromagnetic flip-flop is generated by a permanent magnet.

Die Trigger-Transistoren Q3 und Q4 stehen für zwei stromgesteuerte Spulen, welche kurzzeitig den Strom über eine Polfläche schwächen bzw. verstärken können, bis entweder der vorherrschende Status bestätigt oder aber ein Umschaltvorgang ausgelöst bzw. erfolgt ist. Die Spannungs- und Stromannotierung gilt für den labilen Punkt der Anordnung, der das Gleichgewichtsverhalten beschreibt.The trigger transistors Q3 and Q4 stand for two current-controlled coils which can momentarily weaken or boost the current across a pole face until either the prevailing status has been confirmed or a switching process has been initiated or has taken place. The voltage and current annotation applies to the unstable point of the arrangement, which describes the equilibrium behavior.

zeigt den zeitlichen Verlauf der Kollektorspannungen am FlipFlop-Kern Q1, Q2 sowie die Ansteuerspannungen der Triggertransistoren Q3 und Q4. Dabei entspricht die Differenz V(R1:1) – V(Q1:b), d. h. Uc(Q1) – Uc(Q2), dem Hub der Ankerscheibe. Dieser Hub kann positiv oder negativ sein und wird durch die von der Batteriespannung und den Kollektorarbeitswiderständen zusammen mit der Urstromquelle vorgegebenen Spannungsgrenzen limitiert. Die Spannungsgrenzen entsprechen analog den Anschlägen des elektromagnetischen Systems, welche mechanisch etwa durch Anschlagscheiben realisiert werden. zeigt eine übliche normierte Darstellung der Übergangskennlinie der Kollektorspannung U2 als Funktion der Kollektorspannung U1, bei dem deutlich die beiden stabilen Zustände S1 und S2 ersichtlich sind. Die Einzugsbereiche der beiden stabilen Zustände sind durch eine Separatrix getrennt, auf der ein labiler Punkt L zu sehen ist. shows the time course of the collector voltages at the flip-flop core Q1, Q2 and the drive voltages of the trigger transistors Q3 and Q4. The difference is V (R1: 1) - V (Q1: b), ie Uc (Q1) - Uc (Q2), the stroke of the armature disk. This stroke may be positive or negative and is limited by the voltage limits imposed by the battery voltage and the collector resistors together with the source of current. The voltage limits correspond analogously to the attacks of the electromagnetic system, which are realized mechanically, for example, by stop disks. shows a common normalized representation of the transition characteristic of the collector voltage U2 as a function of the collector voltage U1, in which clearly the two stable states S1 and S2 can be seen. The catchment areas of the two stable states are separated by a separatrix, on which a labile point L can be seen.

Kennzeichend ist, dass die Elektrische Schaltung, die in Analogie zur elektro-mechanischen Anordnung zu sehen ist, schaltungstheoretisch nicht weiter reduziert werden kann, was als ein Maß für die Reduktion der elektromagnetischen Schaltung auf ein mögliches Minimum angesehen werden kann.It is characteristic that the electrical circuit, which can be seen in analogy to the electro-mechanical arrangement, can not be reduced circuit-theoretically, which can be regarded as a measure of the reduction of the electromagnetic circuit to a possible minimum.

Umkehrhubmagnete aufwändigerer Bauformen sind in der technischen Literatur bestens beschrieben. Stellvertretend wird hier WO 2015/058742 A2 angeführt, welche einen repräsentativen Überblick über einige der dort vorhandenen Konstruktionsprinzipien und Bauformen gibt. Allen den dort gezeigten Konstruktionsprinzipen ist gemeinsam, dass der magnetische Fluss Φ [Einheit Vs] bzw. die elektromagnetische Flussdichte B [Einheit Vs/m²] einer betrachteten Ankerplatte beim Anzug, d. h. der Verkleinerung des Luftspaltes zwischen Ankerplatte und weichmagnetischem Rahmen sehr stark zunimmt, während er umgekehrt bei der Vergößerung des Luftspaltes sehr stark abnimmt. Selbst differentiell betriebene Anordnungen mit zwei gekoppelten Ankerplatten leiden unter diesem Umstand, dahingehend, dass der magnetische Fluss, oder genauer gesagt die elektromagnetische Flussdichte einer Ankerplatte im angezogenen Zustand bis zur Materialsättigung steigt, wohingegen sie im abgefallenen Zustand weitgehend verschwindet. Dieser Umstand führt im Zuge einer gewünschten Ankerbewegung notwendigerweise zu starken elektromagnetischen Flussdichteänderungen in den bewegten, aber auch in den unbewegten Teilen. Ausgeglichen wird dies zum Beispiel, wie in WO 2015/058742 A2 beispielhaft beschrieben, durch zusätzliche mechanische Federkräfte. Dies ist ein probates Mittel, um während des Schaltvorgangs durch die Bauform vorgegebene unzureichend steuerbare Flussdichten auszugleichen. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den mechanischen Aufwand so gering und damit preiswert wie möglich zu gestalten. Erreicht wird dies durch die Konzentration der baulichen und elektrotechnischen Maßnahmen auf die Kontrolle der optimalen Flussdichte über die gesamte Dauer der Schalt- und Haltephasen.Reversing lifting magnets of more complex designs are best described in the technical literature. Acting becomes here WO 2015/058742 A2 which gives a representative overview of some of the existing design principles and designs. All the design principles shown there have in common that the magnetic flux Φ [unit Vs] or the electromagnetic flux density B [unit Vs / m ² ] of a considered anchor plate when tightening, ie the reduction of the air gap between Anchor plate and soft magnetic frame increases greatly, while conversely it decreases greatly in the magnification of the air gap. Even differentially powered arrangements with two coupled armature plates suffer from this fact in that the magnetic flux, or more specifically the electromagnetic flux density of an armature plate in the attracted state increases to material saturation, whereas it largely disappears in the fallen state. This circumstance necessarily leads to strong electromagnetic flux density changes in the moving, but also in the stationary parts in the course of a desired armature movement. This is compensated, for example, as in WO 2015/058742 A2 exemplified by additional mechanical spring forces. This is a proven means to compensate during the switching operation by the design predetermined insufficiently controllable flux densities. The aim of the present invention is to make the mechanical complexity as low and therefore inexpensive as possible. This is achieved by concentrating structural and electrotechnical measures on the control of the optimum flux density over the entire duration of the switching and holding phases.

Mit den Flussdichteänderungen gehen in elektrisch leitfähigen Materialien induzierte Wirbelströme einher, welche stets der Bewegungsursache entgegenwirken (actio und reactio) und in den durchsetzten Materialien zu ohmschen Verlusten führen, die bei hohen Stellgeschwindigkeiten bzw. Frequenzen zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung und darüberhinaus zu einer deutlichen Abschwächung der erzielbaren elektromagnetischen Kräfte führen. Die Existenz von Wirbelströmen macht eine Voraussage über die zeitlichen Flussdichteänderungen sehr komplex. Ein weiterer prinzipieller Nachteil ist aus WO 2015/058742 A2 ersichtlich, insofern quaderförmig aufgebaute Magnetanordnungen prinzipiell immer mit unvermeidlichen elektromagnetischen Rand- und Streufeldern einhergehen, die also der Bauform geschuldet sind. Quaderförmige Magnetausführungen sind daher streng rotationssymmetrischen Anordnungen in ihren erreichbaren Systemmerkmalen stets unterlegen.The changes in flux density are accompanied by eddy currents induced in electrically conductive materials, which always counteract the cause of movement (actio and reactio) and lead to ohmic losses in the interspersed materials, which at high speeds or frequencies lead to undesired heat generation and, moreover, to a marked weakening of the recoverable electromagnetic forces. The existence of eddy currents makes a prediction of the temporal flux density changes very complex. Another principal disadvantage is out WO 2015/058742 A2 can be seen, in that parallelepiped magnetic arrangements are always accompanied in principle with unavoidable electromagnetic edge and stray fields, which are therefore due to the design. Rectangular magnet designs are therefore always inferior strictly rotationally symmetric arrangements in their achievable system features.

Vorgeschlagenes System mit konstanter FlussführungProposed system with constant flow guidance

zeigt beispielhaft eine einfachste Realisierung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Systems, welche ein bistabiles mechanisch-elektromagnetisches FlipFlop mit konstanter Flussführung in möglichst direkter Entsprechung zum Current Mode FlipFlop aus formuliert. Die elektrische Anordnung aus zeigt die einfachste rein elektrische Realisierung und läßt den Schluss zu, dass auch das mechanisch-elektromagnetische System maßgeblich nicht weiter vereinfacht werden kann. Das gezeigte mechanisch-elektromagnetische FlipFlop ist zur Z-Achse rotationssymmetrisch und soll sich beispielgemäß aus folgenden Bauteilen zusammensetzen (Darstellung der rechten Schnitthalbebene): ein oberes (1) und ein unteres weichmagnetisches Kernrohr (2), ein oberes (3) und ein unteres weichmagnetisches Mantelrohr (4), ein oberer (5) und ein unterer radial polarisierter Permanentmagnetring, eine obere (7) und eine untere Zylinderspule (8), eine weichmagnetische Ankerscheibe (9), eine weichmagnetische Brücke (10) zwischen oberem und unterem Mantelrohr, eine magnetisch isolierende Hülse (11) und optional eine mechanische Achse (12). shows, by way of example, a simplest realization of the inventively proposed system, which comprises a bistable mechanical-electromagnetic flip-flop with constant flux guidance in the most direct possible correspondence to the current mode flip-flop formulated. The electrical arrangement off shows the simplest purely electrical realization and allows the conclusion that the mechanical-electromagnetic system can not be significantly simplified significantly. The shown mechanical-electromagnetic flip-flop is rotationally symmetrical to the Z-axis and should be composed, for example, of the following components (representation of the right-hand cutting half-plane): an upper ( 1 ) and a lower soft magnetic core tube ( 2 ), an upper ( 3 ) and a lower soft magnetic jacket tube ( 4 ), an upper ( 5 ) and a lower radially polarized permanent magnet ring, an upper ( 7 ) and a lower cylindrical coil ( 8th ), a soft magnetic armature disc ( 9 ), a soft magnetic bridge ( 10 ) between the upper and lower jacket tube, a magnetically insulating sleeve ( 11 ) and optionally a mechanical axis ( 12 ).

Die Anordnung aus wird sinvollerweise bezüglich der horizontalen Mitte der Ankerscheibe in Hubmittellage symmetrisch ausgelegt. Damit wird die Ankerscheibe von den beiden gleichsinnig radial polarisierten Permanentmagnetringen stets in gleicher Richtung und mit gleichbleibender elektromagnetischer Flußstärke durchflutet. Die beiden zylindrischen Spulen (7) und (8) werden vorteilhaft so bestromt, dass sich ihre Flussbeiträge auf die eine Ankerscheibe transient kompensieren. Also ist zu erstreben: dΦ1 = –dΦ2, wobei der Index 1 für die obere, der Index 2 für die untere Zylinderspule gelten soll mit den differentiellen Beziehungen für die Teilflüsse, welche durch geeignete Stromsteuerung herbeizuführen sind. dΦ1 = I1·(ϑL1/ϑz)dz + L1·(ϑi/ϑt)dt dΦ2 = I2·(ϑL2/ϑz)dz + L2·(ϑi/ϑt)dt The arrangement off is sinfully wise designed symmetrically with respect to the horizontal center of the armature disk in Hubmittellage. Thus, the armature disk is always flooded by the two same direction radially polarized permanent magnet rings in the same direction and with constant electromagnetic flux. The two cylindrical coils ( 7 ) and ( 8th ) are advantageously energized so that their flux contributions to the one armature plate compensate transiently. Thus, one has to strive for: dΦ1 = -dΦ2, where the index 1 is to apply to the upper cylinder, the index 2 to the lower cylinder coil to the differential relationships for the partial flows, which are to be effected by suitable current control. dΦ1 = I1 * (θL1 / θz) dz + L1 * (θi / θt) dt dΦ2 = I2 * (θL2 / θz) dz + L2 * (θi / θt) dt

Im vereinfachten Fall können die beiden Zylinderspule (7) und (8) suboptimal auch in Reihe geschaltet werden; sie werden also z. B. hintereinander von ein- und demselben Strom I durchflossen. zeigt den Verlauf eines solchen gemeinsamen Spulenstroms Current zusammen mit dem bewirkten Ankerscheibenhub Moving1.Position als Funktion der Zeit. Man sieht zum einen die erwünschte bistabile Charakteristik dieses mechanisch-elektromagnetischen FlipFlops bei einem Ankerhub von s = 100 μm und man sieht zum anderen die extrem kurze Schaltzeit von ca. T = 150 μs. Es ist hier wichtig darauf hinzuweisen, dass der gemeinsame Spulenstrom nur solange anliegen muss, bis die Ankerscheibe genügend kinetische Energie gesammelt hat, um den labilen Punkt L der bistabilen Anordnung gemäß zu überwinden. Hat die Ankerscheibe auf dem Weg zum gegenüberliegenden stabilen Punkt die Separatrix überschritten, erfolgt die restliche Bewegung leistungslos. Der gemeinsame Strom in kann daher nach t = 80 μs komplett abgeschaltet werden. zeigt den Verlauf der Ankerkraft Force.Forcez in Z-Richtung zusammen mit dem bewirkten Ankerhub Moving1.Position als Funktion der Zeit. Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, dass die Ankerkraft aus der kurzzeitigen differentiellen Störung des Durchflutungsgleichgewichts in der Ankerscheibe praktisch verzögerungsfrei einsetzt und extreme Werte von F = 100 N und mehr erreichen kann, was in Bezug auf die geringe Baugrösse einer enorm hohen Kraft entspricht. Weiterhin lohnt es sich, auf die Symmetrie der Kräfte während der Bewegung bei der Annäherung an die beiden Endlagen zu achten.In the simplified case, the two cylindrical coils ( 7 ) and ( 8th ) suboptimal be connected in series; So they are z. B. traversed in succession of one and the same current I. shows the course of such a common coil current Current together with the induced armature disk stroke Moving1.Position as a function of time. One sees, on the one hand, the desired bistable characteristic of this mechanical-electromagnetic flip-flop at an armature stroke of s = 100 μm and, on the other hand, one sees the extremely short switching time of approximately T = 150 μs. It is important to note that the common coil current must be present only until the armature disc has collected enough kinetic energy to match the labile point L of the bistable arrangement to overcome. If the anchor plate has crossed the separatrix on the way to the opposite stable point, the rest of the movement is carried out without power. The common stream in can therefore be completely switched off after t = 80 μs. shows the course of the Force.Forcez anchor force in the Z direction along with the induced anchor stroke Moving1.Position as a function of time. It can be seen from this illustration that the armature force from the short-term differential disturbance of the flux equilibrium in the armature disk is used virtually instantaneously and can reach extreme values of F = 100 N and more, which corresponds to an enormously high force in relation to the small size. Furthermore, it is worthwhile to pay attention to the symmetry of the forces during the movement when approaching the two end positions.

zeigt die zugehörige elektromagnetische Durchflutung in Feldlinienform für den Zeitpunkt t = 0. Dieses Bild ist eine Momentaufnahme für die Ankerscheibe, während sie an ihrem unteren Anschlag in Ruhe anliegt. Man erkennt deutlich, dass sich die Durchflutungen aus beiden magnetischen Kreisen in der Ankerscheibe überlagern. zeigt die zugehörige elektromagnetische Durchflutung in Feldlinienform für den Zeitpunt t = 200 μs. Dieses Bild ist eine Momentaufnahme für die Ankerscheibe, während sie gerade transient den oberen Anschlag erreicht. Im unteren magnetischen Kreis laufen noch transiente Vorgänge aus der Abschaltung des Spulenstroms ab. Kurze Zeit später stellt sich gemäß ein Feldlinienbild in der oberen Hubendlage ein, das als spiegelbildlich zu angesehen werden kann. Der entscheidende Punkt ist, dass die Flussdichten sich nicht wesentlich unterscheiden. shows the associated electromagnetic flux in field line form for the time t = 0. This image is a snapshot for the armature disk while resting against its lower stop. It can be clearly seen that the fluxes from both magnetic circuits are superimposed in the armature disk. shows the associated electromagnetic flux in field line form for the time t = 200 μs. This image is a snapshot for the armature disk as it transiently reaches the top stop. In the lower magnetic circuit, transient processes are still taking place when the coil current is switched off. A short time later arises according to a field line image in the upper stroke end position, which as a mirror image to can be viewed. The key point is that the flux densities are not significantly different.

Nach dem Studium der transienten instationären Feldlinienbilder gilt es festzuhalten, dass das gezeigte mechanisch-elektromagnetische FlipFlop alle weich- und permanentmagnetischen Bauteile bei einer im Mittel konstanten elektromagnetischen Durchflutung betreibt und daher bei optimaler Auslegung der elektromagnetischen Kreise mit einem minimalen Werkstoffaufwand einhergeht. In Sonderheit gilt das für die Masse der bewegten Ankerscheibe. Damit wird auch sichergestellt, dass bei vorgegebenen magnetischen Kräften die dafür erforderlichen Baulängen minimal sind. Weiterhin zeigen die Feldlinienbilder, dass im Arbeitsbereich der Ankerscheibe keinerlei Rand- und Streufelder auftreten, und somit die gesamte installierte elektromagnetische Durchflutung für die Erzeugung von mechanischer Arbeit zur Verfügung steht.After studying the transient instationary field line images, it should be noted that the shown mechanical-electromagnetic flip-flop operates all soft and permanent magnetic components with an average constant electromagnetic flooding and therefore accompanied by optimal material design of the electromagnetic circuits with a minimum cost of materials. In particular, this applies to the mass of the moving armature disk. This also ensures that the required length is minimal for given magnetic forces. Furthermore, the field line images show that no marginal and stray fields occur in the working area of the armature disk, and thus the entire installed electromagnetic flux is available for the generation of mechanical work.

Verallgemeinerunggeneralization

zeigt beispielhaft lediglich eine der vielen Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung. Das Prinzip beruht auf der Führung eines konstanten Flusses durch einen Aktor, der somit im Ruhezustand über eine hohe potentielle Energie verfügt. Für die Einleitung einer Bewegung reicht es aus, diese gespeicherte Energie durch Einbringung eines dynamischen Ungleichgewichts gezielt in die eine oder andere Richtung abzurufen. Die Ableitung von Bewegungskräften durch gezielte kurzzeitige Störung des Flussgleichgewichts erfolgt augenblicklich auf dem Niveau der gespeicherten Beharrungskäfte bzw. Rastmomente. Das Prinzip der flussgeführten Aktoren gilt für alle wesentlichen Arten von Bewegungen: Translation, Rotation oder aber für zusammengesetze Bewegungen entlang stetiger Kurven im Raum. shows by way of example only one of the many implementation possibilities of the invention. The principle is based on the guidance of a constant flow through an actuator, which thus has a high potential energy at rest. For the initiation of a movement, it is sufficient to retrieve this stored energy by introducing a dynamic imbalance in one direction or the other. The derivation of movement forces by targeted short-term disturbance of the flux equilibrium takes place immediately on the level of the stored Beharrungskäfte or cogging moments. The principle of flow-guided actuators applies to all essential types of motion: translation, rotation, or for combined motion along continuous curves in space.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2015/058742 A2 [0008, 0008, 0009]

Claims

Bistable mechanical-magnetic flip-flop consisting of at least two magnetic circuits and an armature disc, characterized in that before, during and after any switching operations , the armature disc always has a temporally and spatially quasi-constant high in-directional flooding and by a comparatively small in terms of time duration and pulse height differential flooding in the respective switching magnetic circuit is switched in the shortest possible time from a stable Hubendlage in the other end of each stroke.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the vote of the moving masses is dimensioned so that the change of the armature disc is triggered by a stable Hubendlage in the other Hubendlage by a short surge in one of the two magnetic circuits associated excitation coils, the only for a fraction of the duration of movement of the armature disc is applied to allow the movement of the armature disc from a stroke end position in the other end of the stroke quasi perform powerless by moving along permanent magnetically excited force flows ballistically.

Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the thickness of the armature disc is adjusted radially so that the electromagnetic flux density at each point of the disc is the same.

Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the thickness of the armature disc is adjusted radially so that its weight is minimized.

Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that each of the two Hubendlagen normally, ie without supply of external energy, as long as desired is maintained.

Arrangement according to claim 1 to 5, characterized in that by attaching soft magnetic bridge parts between the at least two magnetic circuits, the holding forces on the armature disk by bundling the electromagnetic fluxes of the two permanent magnets are quasi doubled.

Arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that by attaching soft magnetic bridge parts between the at least two magnetic circuits of the failure of a permanent magnetic circuit can be compensated.

Arrangement according to claim 1 to 7, characterized in that the electromagnetic flux density is kept constant in the moving armature disk by attaching soft magnetic bridge parts between the at least two magnetic circuits.

Arrangement according to claim 1 to 8, characterized in that the duration of movement of the armature disc by design is constant due to the magnetic circuits, regardless of the starting position, ie the initial air gap.

Arrangement according to claim 1 to 9, characterized in that the holding forces of the armature disk can be arbitrarily scaled by increasing the magnetically active materials, without any change in the Bewegungscharacteristics occurs.

Arrangement according to claim 1 to 10, characterized in that can be additionally minimized by the individual design of the current pulses in the two magnetic circuits associated excitation coils as a function of their time-dependent inductance of energy.

Arrangement according to claim 1 to 11, characterized in that in the armature disk due to temporally constant flooding only minimal eddy currents are induced, so that it is possible to dispense with the lamination or the slotting of the armature disk.

Arrangement according to claim 1 to 12, characterized in that due to the design in the moving armature disc no electromagnetic edge and stray fields occur, so there no metal chips or other contaminants can be attracted and held, by which property the electromagnetic flip-flop because of its large available forces and at the same time large Low-speed actuation is particularly suitable for use for direct actuation of the main valve in high-performance injectors.

Arrangement according to claim 1 to 13, characterized in that no explicit storage of the armature disk is required, since the guide of the armature disk is completely described by the applied permanent magnetic fields and further due to the strict rotational symmetry, whereby drives, for example for pumps or stepper motors, be realized in which the (axleless) armature disc is operated as a rotary piston, with a single seal on the outer periphery, z. B. can be sealed in the form of a ring.