DE29905883U1 - Elektromagnetische Antriebsvorrichtung - Google Patents
Elektromagnetische AntriebsvorrichtungInfo
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Description
G 18577 - rets 19.03.1999
FESTO AG & Co, 73734 Esslingen
E1ektromagnetische Antriebsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung,
insbesondere für ein Ventil, mit einem Elektromagneten, der einen magnetisierbaren, mehrere Schenkel
aufweisenden Kern und eine zumindest einen Schenkel des Kerns umgebende, bestrombare Spulenanordnung aufweist, und
mit einem durch Ändern des Spulenstromes relativ zum Kern
bewegbaren, magnetisi erbaren Anker.
Eine derartige elektromagnetische Antriebsvorrichtung geht
beispielsweise aus der GB 2 2 89 572 A hervor, wobei der
Kern und der Anker eine sogenannte EI-Anordnung bilden und
die von einer Spule gebildete Spulenanordnung den mittleren Schenkel des E-förmigen Kerns umgibt.
Ausgehend von einer derartigen Vorrichtung besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung
zu schaffen, die bei einfachem Aufbau schnellere Schaltzeiten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Kern wenigstens eine U-Anordnung aufweist und vorzugsweise als U-Kern oder auch als &Egr;-Kern ausgebildet ist und im wesentlichen von
mehreren, quer zur Verlaufsrichtung der parallelen
Schenkel aneinander anliegenden Blechelementen gebildet
ist, wobei die parallelen Schenkel von jeweils einer Spule der Spulenanordnung umgeben sind.
Auf Grund dieser besonderen Anordnung werden im Magnetfeld des Elektromagneten hohe Energiedichten erreicht. Auf
Grund dieser hohen Energiedichte besteht die Möglichkeit,
mit der Antriebsvorrichtung schnelle Schaltbewegungen des
Ankers, das heißt schnelle Schaltzeiten, zu erreichen. Auf
Grund der geringen Verluste erzielt die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung einen guten Wirkungsgrad.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands der Erfindung
gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Dadurch, daß die Spulen der Spulenanordnung in Reihe oder
parallel zueinander geschaltet sind, kann der Gesamtwiderstand
der Spulenanordnung variiert werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die den Kern bildenden Blechelemente
eine U-förmige oder E-förmige Gestalt aufweisen. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung des Kerns durch
übereinanderlegen der einzelnen Blechelemente.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Querschnitt des Kerns und/oder des Ankers polygonförmig, insbesondere
rechteckig konturiert ist. Zum Aufbau eines geblechtem Kerns sind die verwendeten Blechelemente identisch, so daß
der Kern kostengünstig hergestellt werden kann.
Alternativ hierzu kann der Querschnitt des Kerns und/oder des Ankers oval oder kreisrund konturiert sein. Insbesondere
durch die kreisrunde Querschnittsform des Kerns kann
eine Anpassung der Form an die häufig kreiszylinderförmig
gewickelten Spulen erfolgen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Kern und/oder der Anker aus weichmagnetischem Material bestehen. Auf Grund dieser
Maßnahme wird eine geringe Koerzitivfeldstärke gewähr-1
ei stet.
Bei diesem weichmagnetischen Material kann es sich um
ferrimagnetisches bzw. ferromagnetisches Material handeln.
Ferrimagnetisches Material verfügt über einen hohen spezifischen
Widerstand. Als ferromagnetisches Material kommt
beispielsweise Eisen in Betracht.
Des weiteren ist es zweckmäßig, wenn die Spulen jeweils einen nicht-magnetisi erbaren Wicklungsträger aufweisen,
auf den die Wicklung aufgebracht ist. Auf diese Weise wird
• · ·■*
zwischen den Spulenwicklungen und dem jeweils zugeordneten
Schenkel des Kerns ein vom Wicklungsträger ausgefüllter
Spalt hervorgerufen.
Bei dieser Ausführung kann der Wicklungsträger aus Kunststoffmaterial
bestehen, wodurch er äußerst kostengünstig herstel1 bar ist.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße elektromagnetische
Antriebsvorrichtung anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert. Es zei gen:
Fig. 1 ein Ventil in einer teilgeschnittenen Seitenansicht,
das über ein Ausführungsbeispiel einer
elektromagnetischen Antriebsvorrichtung verfügt, und
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines geblechten U-förmigen
Kerns in frontaler Ansicht auf die Stirnflächen der beiden U-Schenkel.
In Fig. 1 ist ein 3/2-Wegeventi1 5 dargestellt, das über
ein Ausführungsbeispiel einer elektromagnetischen Antriebsvorrichtung 6 verfügt.
Das Ventil weist einen in einer Schieberaufnahme 7 in
Längsrichtung 8 zwischen zwei Schaltstellungen hin- und
herbewegbaren Ventilschieber 9 auf. In die Schieberauf-
nähme 7 münden drei von außen zugängliche Fluidkanäle 10,
11 und 12, wobei in Abhängigkeit von der Schaltstellung
des Venti1 Schiebers 9 entweder die beiden Fluidkanäle 10
und 11 oder die Fluidkanäle 10 und 12 fluidisch miteinander verbunden sind.
Zur Betätigung des Ventilschiebers 9 weist das Ventil die
elektromagnetische Antriebsvorrichtung 6 auf. Mit Hilfe
der Antriebsvorrichtung 6 kann der Venti1schieber zwischen
den beiden Schaltstellungen hin- und herbewegt werden.
Die Antriebsvorrichtung 6 weist einen Anker 15 aus magnetisierbarem
Material auf, der mit dem Venti1schieber 9
bewegungsgekoppelt ist und beispielsgemäß fest mit diesem
verbunden ist. Gemäß Fig. 1 ist der Anker 15 an dem dem
Inneren des Ventils 5 zugeordneten Endbereich des Ventilschiebers 9 befestigt. Der Anker 15 weist eine quaderförmige
Gestalt auf und verläuft derart quer zum Ventilschieber
9, daß seine beiden Endabschnitte 17, 18 auf diametral
entgegengesetzten Seiten des Venti1 Schiebers 9 von diesem wegragen. Die beiden Endabschnitte 17, 18 sind im
wesentlichen gleich lang.
In Abwandlung zu der dargestellten Ausführungsform könnte
der Querschnitt des Ankers auch beliebig variiert werden,
er könnte beispielsweise oval oder kreisrund sein oder
eine andere Polygongestalt besitzen. 6
Die elektromagnetische Antriebsvorrichtung 6 enthält des
weiteren einen Elektromagneten 21, mit dessen Hilfe eine Bewegung des Ankers 15 hervorgerufen und somit das Umschalten
des Venti1 Schiebers von der einen in die jeweils andere Schaltposition hervorgerufen werden kann.
Der Elektromagnet 21 verfügt über einen aus magnetisierbarem
Material bestehenden, U-förmigen Kern 22. Er hat beim bevorzugten Ausführungsbeispiel einen rechteckigen
Querschnitt. Seine beiden parallel zueinander verlaufenden U-Schenkel 23, 24 sind mit ihrem jeweiligen freien Ende
bzw. 26 dem Anker 15 zugeordnet. In Einbaulage verlaufen die beiden U-Schenkel 23, 24 im wesentlichen in Längsrichtung
8. Mittels eines Querschenkels 27 sind die beiden U-Schenkel 23, 24 an ihren den freien Enden 25, 26 entgegengesetzten
Enden miteinander verbunden.
In Abwandlung zum dargestellten Ausführungsbeispiel der
Antriebsvorrichtung 6 könnte der Querschnitt des Kerns
auch oval oder kreisrund gewählt werden oder eine andere Polygongestalt besitzen.
Beispielsgemäß bestehen sowohl der Kern 22 als auch der
Anker 25 aus weichmagnetischem Material. In Betracht hierfür
käme grundsätzlich ferrimagnetisches oder ferromagnetisches
Material, wobei im vorliegenden Fall ferromagneti-
sches Material, &zgr;. B. Eisen, zum Einsatz kommt.
Der U-förmige Kern 22 ist geblecht ausgeführt. Er besteht somit nicht aus massivem Material, sondern ist aus mehreren,
quer zur Verlaufsrichtung der beiden U-Schenkel 23,
24 - das heißt quer zur Längsrichtung 8 - aneinander anliegenden
Blechelementen 30 aufgebaut. Beim Ausführungbeispiel
weisen die einzelnen Blechelemente 30 ebenfalls
eine U-förmige Gestalt auf, so daß ihre Kontur in Seitenansicht derjenigen des Kerns 22 entspricht. Auf Grund des
hier gewählten rechteckigen Querschnitts des Kerns 22 kann
dieser daher sozusagen durch Schichten von mehreren U-förmigen Blechelementen 30 gebildet werden. Man könnte
daher auch sagen, daß der Kern 22 einen Schicht- bzw.
Lamellenaufbau aufweist.
Die Blechelemente 30 sind gegeneinander isoliert, so daß
insbesondere bei mit hoher Frequenz erfolgenden Ein- bzw.
Ausschaltvorgängen des Elektromagneten 21 die Wirbelstromverluste
sehr gering gehalten werden können. Die Isolation der Blechelemente 30 kann beispielsweise durch Auftragen
einer dünnen, nicht-leitenden Lackschicht od.dgl. auf die
Blechelemente 30 erfolgen.
Weiterhin verfügt der Elektromagnet 21 über eine von zwei
elektrischen Spulen 33, 34 gebildete bestrombare Spul en -
anordnung 35. Die Spulenanordnung 35 ist derart angeordnet,
daß die beiden U-Schenkel 23, 24 von jeweils einer Spule 33 bzw. 34 umgeben werden. Es handelt sich bei den
beiden Spulen 33, 34 um Zylinderspulen mit z.B. rechteckförmiger
Durchgangsöffnung zur Aufnahme der U-Schenkel bzw. 24, wobei deren Zylinderachse mit der Verlaufsrichtung
des jeweils zugeordneten U-Schenkels 23 bzw. 24 überei nstimmt.
Die beiden Spulen 33, 34 verfügen über jeweils eine Wicklung
36 bzw. 37, die auf einen jeweils zugeordneten hohlzylinderartigen
Wicklungsträger 38 bzw. 39 aufgebracht
ist. Die Innenkontur der Wicklungsträger 38, 39 ist an den
Querschnitt der U-Schenkel 23, 24 angepaßt, so daß die Wicklungsträger 38, 39 auf den jeweils zugeordneten U-Schenkel
23, 24 von dessen freiem Ende 25 bzw. 26 her aufgesteckt werden können.
Die Wicklungsträger 38, 39 bestehen aus nicht-magnetisi erbarem
Material, beispielsweise Kunststoff, und bilden
daher zwischen den Wicklungen 36, 37 und dem jeweils zugeordneten U-Schenkel 23 bzw. 24 einen ringsumlaufenden
Zwischenraum.
An den beiden axialen Enden weisen die Wicklungsträger 38,
39 jeweils einen ringförmige Flansch 41, 42 auf, so daß
die Wicklungsträger 38, 39 die jeweils zugeordnete Wicklung
36 bzw. 37 auch von den beiden axialen Seiten her begrenzen.
Die beiden elektrischen Spulen 33, 34 der Spulenanordnung
35 des Elektromagneten 21 können entweder parallel oder in Reihe geschaltet sein. Die Spulen 33, 34 sind in eingebautem
Zustand der Antriebsvorrichtung 6 in dem Ventil 5 elektrisch mit zwei von außen zugänglichen elektrischen
Kontakten 43, 44 verbunden, über die die Spulen 33, 34 bestromt werden können.
Im folgenden wird die Funktion der elektromagnetischen Antriebsvorrichtung
6 erläutert.
Beim Ausführungsbeispiel ist der Anker 15 mittels einer
nicht näher dargestellten Vorspanneinrichtung, die beispielsweise
von einer Federanordnung gebildet sein kann, in die Schaltposition vorgespannt, in der er einen größeren
Abstand zum Elektromagneten 21 bzw. zu den beiden freien Enden 25, 26 der U-Schenkel 23 bzw. 24 aufweist.
Diese Schaltposition ist in Fig. 1 dargestellt.
Wird nun ausgehend von dieser Schaltposition von außen
über die Kontakte 43, 44 ein Spulenstrom an die beiden Spulen 33, 34 angelegt, so wird ein Magnetfeld erzeugt,
das den Anker 15 in Richtung der beiden U-Schenkel 23,
des Kerns 22 hin anzieht. Der Anker 15 bewegt sich so weit, bis er eine stabile Endlage einnimmt, die hier die
weitere Schaltposition darstellt. Diese Schaltposition, in
der sich der Anker 15 näher am Kern 22 befindet, wird so
lange gehalten, wie ein Gleichstrom durch die beiden Spulen 33, 34 fließt.
Nach dem Abschalten des Spulenstroms bricht das von den beiden Spulen 33, 34 erzeugte Magnetfeld zusammen, und der
Anker 15 wird vom Kern 22 weg durch die Vorspanneinrichtung
wieder in die andere Schaltposition bewegt.
Die elektromagnetische Antriebsvorrichtung 6 ist in der
Lage, die eben beschriebenen Schaltvorgänge sehr schnell
auszuführen, so daß hohe Schaltfrequenzen erreicht werden
können.
In Abwandlung zum beschriebenen Ausführungsbeispiel wäre
es auch denkbar, den Anker 15 als Permanentmagneten auszuführen, so daß die Schaltbewegung des Ankers 15 in beide
Richtungen vom Elektromagneten 21 ausgeführt werden kann. Hierfür wird die Stromrichtung des Spulenstromes entsprechend
gewählt, so daß im einen Fall eine Anziehung
zwischen dem Elektromagneten 21 und dem Anker 15 erfolgt und bei Umkehrung der Stromrichtung eine Abstoßung zwi-
sehen dem Elektromagneten 21 und dem Anker 15 bewirkt
wird. Auf diese Weise können der Anker 15 und der mit ihm
verbundene Venti1 schieber 9 in die beiden Schaltpositionen
bewegt werden. Unbestromt bleibt der Anker 15 so immer im Haftzustand. Auch eine bistabile Ausführung ist möglich.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die elektromagnetische
Antriebsvorrichtung 6 auch in anderen Anwendungsfällen als
bei einem Ventil 5 eingesetzt werden kann, in denen ein Abtriebsteil mittels des Ankers 15 linear zwischen zwei
Positionen hin- und herbewegt werden soll.
In Abwandlung des dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiels
kann der Kern 22 anstelle einer einzigen U-Anordnung (U-Kern) auch mehrere nebeneinander angeordnete
U-Anordnungen besitzen. Bei zwei nebeneinander angeordneten
U-Anordnungen läge dann beispielsweise ein E-Kern
vor, wobei der mittlere Schenkel einen gemeinsamen Schenkel für beide U-Anordnungen bildet. Auch bei drei
oder mehr Schenkeln ist jeder Schenkel mit einer Spule versehen.
Claims (11)
1. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung, insbesondere
für ein Ventil (5), mit einem Elektromagneten (21), der
einen magnetisi erbaren, mehrere Schenkel (23, 24) aufweisenden Kern (22) und eine zumindest einen Schenkel (23
bzw. 24) des Kerns (22) umgebende, bestrombare Spulenanordnung (35) aufweist, und mit einem durch Ändern des
Spulenstromes relativ zum Kern (22) bewegbaren, magnetisierbaren
Anker (15), dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (22) wenigstens eine U-Anordnung aufweist und im
wesentlichen von mehreren, quer zur Verlaufsrichtung der
parallelen Schenkel (23, 24) aneinander anliegenden Blechelementen (30) gebildet ist, wobei die parallelen
Schenkel (23, 24) von jeweils einer Spule (33, 34) der Spulenanordnung (35) umgeben sind.
2. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (22) als U-Kern oder &Egr;-Kern ausgebildet ist.
3. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (33, 34) der Spulenanordnung (35) in Reihe oder parallel
zueinander geschaltet sind.
4. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den
Kern (22) bildenden Blechelemente (30) eine U-förmige oder
E-förmige Gestalt aufweisen.
5. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Querschnitt des Kerns (22) und/oder des Ankers (15) polygonförmig,
insbesondere rechteckig konturiert ist.
6. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Querschnitt des Kerns (22) und/oder des Ankers (15) oval oder kreisrund konturiert ist.
7. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (22) und/oder der Anker (15) aus weichmagnetischem
Material besteht.
8. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach An-
spruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem
weichmagnetischen Material um ferrimagnetisches bzw.
ferromagnetisches Material handelt.
9. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (33, 34) jeweils einen nicht-magnetischen Wicklungsträger
(38, 39) aufweisen, auf den die Wicklung (36, 37) aufgebracht ist.
10. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach Anspruch
9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsträger
(38, 39) aus Kunststoffmaterial besteht.
11. Elektromagnetische Antriebsvorrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Anker (15) als Permanentmagnet ausgebildet ist oder einen solchen enthält.
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