DE2839340A1

DE2839340A1 - Elektromagnetische vorrichtung zur betaetigung schneller schaltglieder

Info

Publication number: DE2839340A1
Application number: DE19782839340
Authority: DE
Inventors: Paul Schwerdt; Guenter Dipl Ing Weiger
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1978-09-09
Filing date: 1978-09-09
Publication date: 1980-03-27
Also published as: IT7950200A0; FR2435647A1; GB2031653A

Description

283934Q

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12 209/4

Stuttgart 25.8.1978

"Elektromagnetische Vorrichtung zur Betätigung schneller Schaltglieder¹¹

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetische Vorrichtung zur Betätigung schneller Schaltglieder, insbesondere für die Steuerung von hydraulischen und pneumatischen Ventilen, mit einer Stromspule und einem koaxial zur Spulenachse bewegbaren Anker.

Bekannte Schaltvorrichtungen, beispielsweise elektromagnetisch betätigte Ventile, haben physikalisch bedingte Schaltzeitgrenzen, die etwa bei 0,5 Millisekunden liegen. Für viele Anwendungszwecke ist dies jedoch zu langsam.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine wesentlich schneller arbeitende Schaltvorrichtung zu schaffen, die jedoch von der Konstruktion und den Kosten her einfach und preiswert herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anker aus einem zylinder- oder rohrförmigen Kern mit wenigstens einem zu der im Gehäuse befestigten Spule koaxialen Reaktions-

-Ii-

030013/0067

- k - Dajm 12 209/4

teil besteht, wobei der Spule zugeführte Stromimpulse oder Wechselströme ein Magnetfeld hervorrufen, welches im Reaktjonsteil Wirbelströme und diese eine Kraft in Richtung der Spulennchse von der Spule weggerichtet erzeugen.

Mit einer solchen Schaltvorrichtung kann die Schaltzeitgronze bis unter 0,1 Millisekunden gesenkt werden. Die physikalischen Grundlagen, ■welche sich die Erfindung zu Nutzen macht, angewendet beispielsweise beim Magnetform-Verfahren zur Verformung zylindrischer Metallkörper (ETZ-A, Bd. 8R, (1967) Heft 9, S. 217 ff und Heft 19, S. Ί75 ff) sind seit langer Zeit bekannt . Bei der Kompression zylindrischer Metallkörper wird im Rnum zwischen Arbeitsspule und Werkstück ein starkes Magnetfeld mit einer Induktion von mehreren hunderttausend Gauß kurzzeitig aufgebaut- Der durch den impulsförmigen Verlauf dos Mngnetfeldes auftretende Skineffekt läßt den Innenraum des Werkstückes praktisch feldfrei. Es entsteht daher ein umsei tiger magnetischer Kompressionsdruck bis zu mehreren tausend Kilopond je Quadratzentimeter, der eine bleibende Umformung des Werkstückes zur Folge hat. Die Abänderung dieses Verfahrens zur Betätigung schnellschaltender Schaltglieder ist ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung.

Um eine möglichst sroßn Beschleunigung des Ankers zu erreichen, sol lie dieser ein mögl ichst pri-rii^gor· Gewicht aufweisen. Deshalb ist vorgesehen, daß der Kern des Ankers aus elektrisch nicht oder weniger gut leitendem Material und das Reaktionsteil aus elektrisch gut leitendem Material besteht. Dem genannten Zweck dient auch die rohrförmige Ausbildung des Anker-Kerns.

030013/0067

- 5 - Dairo 12 209/4

Soll die Kraftwirkung des Schaltgliedes nicht nur in eine Richtung gehen, so ist vorgesehen, daß für eine Betätigung des Ankers in Gegenrichtung eine zweite Spule im Gehäuse so befestigt ist, daß das Reaktionsteil mit dem gewünschten Bewegungsraum zwischen beiden Spulen liegt.

Zur Summierung der Kräfte sind mehrere Reaktionsteile auf dem Kern des Ankers und die entsprechenden Spulen im Gehäuse angeordnet. Alternativ dazu ist eine Vorrichtung so aufgebaut, daß das Eeaktionsteil den Kern des Ankers wendelförmig umschlingt, daß Anfang und Ende des Wendeis elektrisch gut leitend miteinander verbunden sind, und daß die zugeordnete Spule bzw. Spulen im Gehäuse ebenfalls wendelförmig angeordnet ist bzw. sind.

Des vereinfachten Aufbaues wegen weist jede Spule nur eine einzige Windung auf. Zur weiteren Erhöhung der Kräfte bzw. Beschleunigung ist vorgesehen, daß die Spule mit einem an sich bekannten aufgeschnittenen Feldkonzentrator aus elektrisch gut leitendem Material, von dem sie elektrisch isoliert ist, verbunden ist, dessen Querschnitt sich zum zugeordneten Reaktionsteil hin verjüngt. Falls erforderlich, ist vorgesehen, daß der Anker mechanisch, beispielsweise durch Federn, in einer definierten Ruhelage gehalten wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung einiger Ausführungsbeispiele zu entnehmen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ausführung mit einem Reaktionsteil und zwei Spulen,

- 6 03 0013/006 7

- 6 - Daim 12 209/4

Fig. 2 eine Ausführung mit zwei Reaktionsteilen ,

Fig. 3 eine Ausführung mit Feldkonzentratoren und

Fig. 4 eine Ausführung mit dreifach gewendeltem Reaktionsteil.

In Fig. 1 ist ein einfaches Betätigungsglied mit zwei Spulen dargestellt. In einem zylinderförmigen Gehäuse 1 ist der Anker, bestehend aus einem elektrisch nicht leitenden, zylindergut förmigen Kern 2 und einem elektrisch/leitenden, ringförmigen Reaktionsteil 3i koaxial zur Gehäuseachse und verschiebbar in Richtung dieser Achse gelagert. Die Enden des Ankers ragen dabei beiderseits aus dem Gehäuse. Die Verschiebung des Ankers wird durch Anschlagflächen im Inneren des Gehäuses für das Reaktionsteil 3 begrenzt. Beiderseits des Reaktionsteiles, außerhalb dessen Bewegungsraumes befindet sich je eine koaxial im Gehäuse befestigte, aus einer einzigen Windung bestehende Spule 4 und 5i deren Anfang und Ende nach oben aus dem Gehäuse herausgeführt sind. Die Gehäuseteile sind miteinander verschraubt. Die aus dem Gehäuse herausragenden Enden des Ankerkernes wirken ein- oder beidseitig auf Betätigungsorgane nicht dargestellter Ventile.

Wird beispielsweise die Spule 4 von einem Wechselstrom oder Stromimpuls mit großer Stromstärke und steiler Anstiegsflanke durchflossen, so entstehen durch das um die Spule aufgebaute Magnetfeld im ringförmigen Reaktionsteil Wirbelströme, welche nach der Lenz'sehen Regel eine elektromotorische Kraft - von

03 0 0 13/0067

- 7 - Daim 12 209/4

der Spule weggerichtet - auf den Anker in Richtung +F bewirken. Bei entsprechender Stromstärke bzw- Anstiegsflanke erfährt der Anker dann eine Beschleunigung, die zu Schaltzeiten unter 0,1 Millisekunden führen können- Analog dazu bewirkt ein Strom in der Spule 5 eine Bewegung des Ankers in Richtung -F.

Fig. 2 zeigt analog zu Fig. 1 ein Betätigungsglied, jedoch

mit zwei Reaktionsteilen 3 und 3 auf einem Ankerkern 2 mit den entsprechenden Spulen 4 und 5 bzw. 4 und 5 · Diese Anordnung bewirkt eine Erhöhung der Kraft bzw. Beschleunigung, wenn in den Spulen 4 und 4 bzw. 5 und 5 jeweils gleichzeitig Strom fließt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung wie Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß die Spulen 4 und 5 auf der dem Reaktionsteil 3 zugekehrten Seite einen Feldkonzentrator 6 bzw. 7 aufweisen. Dieser besteht aus einem im Querschnitt sich zum Reaktionsteil hin verjüngenden, aufgeschnittenen Ring aus elektrisch gut leitendem Material, der von der zugeordneten Spule durch eine Isolierschicht 8 bzw. 9 elektrisch isoliert ist. Bei stromdurchflossener Spule entstehen im Feldkonzentrator ebenfalls Wirbelströme, die das Magnetfeld in den Spalt zwischen Feldkonzentrator und Reaktionsteil drängen und dadurch die Druckwirkung bzw. die Beschleunigung des Ankers erhöhen.

Fig. 4 schließlich zeigt eine Ausführung, bei welcher, anders als bei der Mehrfachausführung nach Fig. 2, Reaktionsteil 3

Il Il

und Spulen 4 und 5 mehrfach gewendelt sind, um die Beschleunigung auf den Anker zu erhöhen. Dabei ist eine elektrisch

030013/0067

- 8 - Oaini III 2

leitende Verbindung IO zwischen Anfang und Ende des gewendel· ten Reaktionsteils nötig, um ein Fließen der Wirbel ströme zu ermöglichen.

Dei allen Ausführungen ist der Anker entweder den erzeugten Kräften ausgesetzt oder sich selbst überlassen, d.h., durch keine Zusatzglieder - beispielsweise Federn - in einer bestimmten Ruhelage gehalten. Dies hat den Vorteil, daß keine zusätzliche Energie zum Uberwi nderi von Rückstellkräften erforderlich ist. Wenn nötig, könnc7i solche Zusntzjrli eder jedoch selbstverständlich vorgesehen werden.

030013/0067

Leerseite

Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12 209/4

Stuttgart 25.-8..1978

Patentansprüche:

Γΐ.)Elektromagnetische Vorrichtung zur Betätigung schneller Schaltglieder, insbesondere für die Steuerung von hydraulischen oder pneumatischen Ventilen, mit einer Stromspule und einem koaxial zur Spulenachse bewegbaren Anker, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker aus einem zylinder- oder rohrförmigen Kern (2) mit wenigstens einem zu der im Gehäuse befestigten Spule (k) koaxialen Reaktionsteil (3) besteht, wobei der Spule zugeführte Stromimpulse oder Wechselströme ein Magnetfeld hervorrufen, welches im Reaktionsteil Wirbelströme und diese eine Kraft in Richtung der Spulenachse (- F) von der Spule weggerichtet erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) des Ankers aus elektrisch nicht oder weniger gut leitendem Material und das Reaktionsteil (3) aus elektrisch gut leitendem Material besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Betätigung des Ankers in Gegenrichtung eine zweite Spule (5) im Gehäuse so befestigt ist, daß das Reaktionsteil (3) mit dem gewünschten Bewegungsraum zwischen beiden Spulen ('1,5) liegt.

030013/0067

ORlQlNAL INSPECTED

- 2 - Daim 12 209/4
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Summierung der Kräfte mehrere Reaktionsteile (3)3 ) auf dem Kern (2) des Ankers und die entsprechenden Spulen (4,4 , 5i5 ) im Gehäuse (l) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Summierung der Kräfte das Reaktionsteil

Il Il

(3 ) den Kern (2 ) des Ankers wendelförmig umschlingt, daß Anfang und Ende des Wendeis elektrisch gut leitend miteinander verbunden sind(lO), und daß die zugeordnete Spule bzw.

I I I I

Spulen (4 ,5 ) im Gehäuse (l) ebenfalls wendelförmig angeordnet ist bzw. sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die' Spule (4,5) eine einzige Windung aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, daß die Spule mit einem an sich bekannten, in Axialrichtung
/aufgeschnittenen Feldkonzentrator (6,7/ aus elektrisch gut leitendem Material, von dem sie elektrisch isoliert ist, verbunden ist, dessen Querschnitt sich zum zugeordneten Reaktionsteil (3) hin verjüngt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (2,3) mechanisch in einer definierten Ruhelage gehalten wird.

030013/0067