DE3152049C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein linear wirkendes Solenoid gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Solenoid dieser Art ist aus der US 37 75 714 bekannt. Jedoch ist bei diesem Solenoid der Permanentmagnet in axialer Richtung magnetisiert. Es sind keine Möglichkeiten vorhanden, den Magnetfluß im Solenoid zu beeinflussen. Bei Betätigung des bekannten Solenoids bewegt sich der Anker abhängig von der Stromrichtung durch die Statorspule in einer ersten Rich­ tung. Bei einer Umkehr der Stromrichtung kann eine Bewegung des Ankers in der entgegengesetzten Richtung erzielt werden. Ohne die Stromrichtungsumkehr kann jedoch nicht erreicht wer­ den, daß der Anker nach Abschalten des Stroms wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt.

In der US 41 27 835 ist ein bidirektionales Solenoid be­ schrieben, bei dem die Permanentmagnete angrenzend an End­ platten angebracht sind, die sich an jedem Ende des Stators mit einer dazwischen angeordneten Statorspule befinden. Die Permanentmagnete sind entgegengesetzt polarisiert, so daß sich beim Erregen der Spule der von ihr erzeugte Fluß zu dem von einem der Magnete erzeugten Fluß addiert, während er sich von dem vom anderen Magnet erzeugten Fluß subtrahiert, also dessen Fluß entgegenwirkt. Auf diese Weise wird ein Ende des Ankers stärker als das andere Ende gegen seine zugehörige Endplatte gezogen. Auch bei diesem bekannten Solenoid ist keine Möglichkeit vorgesehen, den erzeugten Magnetfluß in irgendeiner Weise zu beeinflussen.

In der US 40 65 739 ist ein Solenoid beschrieben, dessen Anker mit einem Permanentmagneten ausgestattet ist, der in radialer Richtung polarisiert ist. Weitere Mittel zur Beein­ flussung des Magnetflusses sind bei diesem Solenoid nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein linear wirken­ des Solenoid der eingangs angegebenen Art zu schaffen, dessen Anker sich bei Erregen seiner Spulenvorrichtung in einer Vor­ zugsrichtung bewegt und sich bei Beendigung der Erregung wie­ der in die Ausgangslage zurückbewegt, ohne daß eine umgekehr­ te Stromrichtung durch die Spulenvorrichtung hervorgerufen werden muß.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in einem linear wirkenden Solenoid mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

In dem erfindungsgemäßen Solenoid wird durch die Zusammenwir­ kung der Magnetfelder, die von dem Permanentmagneten erzeugt werden, mit den Magnetfeldern, die von der Spulenvorrichtung hervorgerufen werden, und wegen der Anwesenheit des zylindri­ schen Rings aus nichtmagnetischem Material eine Vorzugsstel­ lung der Ankervorrichtung erreicht, in die die Ankervorrich­ tung immer wieder zurückkehrt, nachdem durch die Spulenvor­ richtung Strom geflossen ist und die Ankervorrichtung aus der Vorzugsstellung herausbewegt worden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen durch die Mittelachse ausgeführten Schnitt eines linear wirkenden Solenoids nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 einen ähnlichen Schnitt wie in Fig. 1, der die Flußwege angibt, wenn die Statorspule erregt ist und der Anker sich teilweise nach rechts bewegt hat, und

Fig. 4 einen ähnlichen Schnitt wie in Fig. 1, der den Anker an seiner rechten Bewegungsgrenze zeigt.

In den Fig. 1 und 2 ist ein linear wirkendes Solenoid dargestellt. Das Solenoid ent­ hält eine Statorvorrichtung 10 mit einem Statorgehäuse, das aus einem Zylinderabschnitt 12 und aus zwei Endabschnitten 14 und 16 besteht. An jedem Ende des Zylinderabschnitts 12 ist einer der Endabschnitte 14 und 16 angebracht; die Endabschnitte 14 und 16 erstrecken sich dabei radial nach innen, so daß zwei axial im Abstand voneinander in einer Linie liegende zylindrische Statorpolflächen 18 und 20 entstehen. Der Zy­ linderabschnitt 12 und die Endabschnitte 14 und 16 bestehen aus einem magnetflußleitenden Material, beispielsweise aus kohlenstoffarmem Stahl. Das Gehäuse 10 bildet somit einen Flußleitungsweg zwischen den Statorpolflächen 18 und 20. Das Gehäuse 10 umgrenzt außerdem eine in ihm angebrachte Gehäuse­ öffnung 22.

Eine mehrere Windungen aus auf einen nichtmagnetischen Spulenkörper 26 gewickeltem isoliertem Kupferdraht enthal­ tende Spulenvorrichtung 24 ist innerhalb des Zylinderab­ schnitts 12 und zwischen den Endabschnitten 14 des Gehäuses 10 angebracht; sie dient dazu, durch den vom Statorgehäuse gebildeten Flußleitungsweg beim Anlegen eines elektrischen Stroms an die Windungen einen Fluß zu erzeugen. Nicht dargestellte Windungsanschlußleiter verlaufen durch eine nicht dargestellte Öffnung im Statorgehäuse, damit eine Vor­ richtung zum Anlegen eines solchen elektrischen Stroms an die Windungen gebildet wird.

In der Statoröffnung 22 ist eine Ankervorrichtung 28 ver­ schiebbar so angebracht, daß sie sich parallel zu den Statorpolflächen 18 und 20 bewegen kann. Die Ankervor­ richtung enthält eine Baugruppe mit einem Ankerkern 30 und einem Kernring 32. Der Kern 30 und der Ring 32 bestehen aus einem magnetflußleitenden Material, beispielsweise aus kohlenstoffarmen Stahl, und sie bilden zwei zylindrische Ankerpolflächen 34 und 36. Der Ankerkern 30 umgrenzt eine zen­ trische, mit einem Gewinde versehene Öffnung 38, die einen nicht dargestellten Gewindeschaft erfassen kann, damit die Ausgangskraft der Ankervorrichtung 28 auf ein zusammen mit dem Sole­ noid verwendetes weiteres Gerät übertragen wer­ den kann. Der Ankerkern 30 und der Ring 32 definieren einen Fluß­ leitungsweg zwischen den zwei axial im Abstand voneinander liegenden zylindrischen Ankerpolflächen 34 und 36.

Die Ankervorrichtung 28 enthält außerdem zwei zylindrische radial magnetisierte ringförmige Permanentmagnete 40 und 42. Jeder dieser Permanentmagnete ist angrenzend an eine zugehörige Anker­ polfläche 34, 36 und axial im Abstand von der jeweils zuge­ hörigen Fläche angebracht. Die Permanentmagnete 40 und 42 sind von Magnethaltern 44 bzw. 46 umgeben. Am Ankerkern 30 sind zwei zylindrische Ringe 47 angebracht, die aus einem Material bestehen, das keinen Magnetfluß leitet, bei­ spielsweise aus nichtmagnetischen Edelstahl.

Messinglager 48 halten die Ankervorrichtung 28 innerhalb der Statorvorrichtung 10, wobei zwei axial im Abstand von­ einander liegende ringförmige Luftspalte 50 und 52 zwischen der Ankervorrichtung und der Statorvorrichtung gebildet wer­ den. Im erregten Zustand erzeugt die Spulenvorrichtung 24 einen elektromagne­ tischen Fluß durch das Statorgehäuse und durch die Ankervor­ richtung 28, der quer durch die ringförmigen Luftspalte 50 und 52 in einer im wesentlichen radialen Richtung verläuft, so daß der Ankerkern veranlaßt wird, sich parallel zu den Stator­ polflächen 18 und 20 zu bewegen.

Der Permanentmagnet 42 ist in radialer Richtung so polarisiert, daß er einen radial nach außen durch den Luft­ spalt 52 verlaufenden Fluß erzeugt, während der Permanent­ magnet 40 so polarisiert ist, daß er einen radial nach innen verlaufenden Fluß durch den Luftspalt 50 erzeugt. Wenn die Spulenvorrichtung 24 nicht erregt ist, erzeugen die Permanent­ magnetee 40 und 42 daher einen Fluß über die Luftspalte 50 und 52 in einer ersten Richtung durch die Gehäuseabschnitte 12, 14 und 16 und durch den Ankerkern 30. Dieser aus den Permanentmagneten resultierende Fluß ist in Fig. 3 sche­ matisch als der Fluß Φ_PM angegeben. Die Permanentmagnete 40 und 42 werden daher zu den gegenüberliegenden Statorpol­ flächen 18 bzw. 20 gezogen, so daß der Ankerkern 30 die in Fig. 1 dargestellte Lage einnimmt.

Wenn den Windungen der Spulenvorrichtung 24 Strom zugeführt wird, wird ein durch den Ankerkern 30, die Statorgehäuseabschnitte 12, 14 und 16 und die Luftspalte 50 und 52 fließender Fluß Φ_EM erzeugt. Die Stromrichtung und die Richtung der Windungen in der Spulenvorrichtung 24 sind so gewählt, daß der durch Erregen der Spulenvorrichtung erzeugte Fluß Φ_EM durch die Statorvorrichtung und die Ankervorrich­ tung in einer Richtung fließt, die der Richtung des Flusses Φ_PM entgegengesetzt ist, der von den Permanentmagneten 40 und 42 erzeugt wird.

Als Folge davon wird der Permanentmagnet 40 von der gegenüberliegenden Statorpolfläche 18 abgestoßen, und der Permanentmagnet 42 wird von der gegenüberliegenden Statorpolfläche 20 abgestoßen. Da die Ringe 47 aus nichtmagnetischem Material auf der rechten Seite der jeweiligen Permanentmagnete 40 und 42 liegen, wie aus Fig. 1 zu erken­ nen ist, dringt der durch die Luftspalte 50 und 52 verlaufende Fluß durch die Permanentmagnete und durch die entsprechenden Ankerpol­ flächen 34 und 36 in den Ankerkern ein. Gleichzeitig mit dem Ab­ stoßen der Permanentmagnete von den Statorpolflächen und der zur rechten Seite hin auf den Ankerkern 30 ausgeübten resultie­ renden Kraft tritt eine Anziehung zwischen den Ankerpolflä­ chen 34 und 36 und den Statorpolflächen 18 bzw. 20 auf, die ebenfalls eine Bewegung des Ankerkerns 30 nach rechts erzeugt.

Dies kann als ein Phänomen der variablen Reluktanz charakte­ risiert werden, da die Reluktanz der Luftspalte 50 und 52 durch die nach rechts gerichtete Bewegung des Ankers 28 und die resultierende Zunahme der Überlappung zwischen den Sta­ torpolflächen und den zugehörigen Ankerpolflächen reduziert wird. Der Ankerkern 30 wird auf diese Weise über die in Fig. 3 dargestellte Mittelposition gegen die in Fig. 4 dargestellte Endposition bewegt.

Die mit dem beschriebenen Solenoid erzielbare Ausgangskraft ist beträchtlich größer als die, die mit einer ähnlichen Vorrichtung erhalten werden könnte, in der die Permanentmagnete weggelassen sind. Dies ist deshalb der Fall, weil diee Ausgangskraft aus der Rück­ stoßkraft der Permanentmagnete und auch aus der Veränderung der Reluktanz der sich überlappenden Polflächen bei der Be­ wegung des Ankers resultiert. Das Solenoid der hier beschriebenen Art kann auch so betrachtet werden, als erzeuge es eine vergrößerte Kraft als Folge einer wesentlichen größe­ ren Änderung des durch den Stator und den Anker erzielbaren Flusses als dies ohne Verwendung der Permanentmagnete der Fall wäre. Wenn der Fluß in der von der Spulenvorrichtung 24 erzeugten Richtung als ein positiver Fluß betrachtet wird, wird anfänglich bei nicht erregter Spulenvorrichtung 24 von den Perma­ nentmagneten ein negativer Fluß erzeugt. Wenn der der Spulenvorrichtung 24 zugeführte Strom vergrößert wird, wird der negative Fluß jedoch allmählich reduziert, bis der von der Spulenvorrichtung 24 erzeugte Fluß den von den Permanentmagneten erzeug­ ten Fluß überschreitet. An diesem Zeitpunkt wird der resul­ tierende Fluß positiv und nimmt im Anschluß daran bis zu einem gewissen Maximalwert weiter zu, der vom Flußsättigungs­ wert der Flußleitungswege durch den Stator und den Anker be­ grenzt ist. Folglich ist der Bereich der Flußwerte, in dem die Vorrichtung ohne Sättigung arbeiten kann, wesentlich vergrößert, so daß auch die maximale Ausgangskraft der Vor­ richtung entsprechend vergrößert ist.

Es ist zu erkennen, daß es erwünscht sein kann, das Solenoid mit einem Permanentmagneten auszustatten, der angrenzend an nur eine der Ankerpolflächen angebracht ist. In einer sol­ chen Anordnung resultiert die Bewegung des Ankers aus den kombinierten Wirkungen der sich überlappenden Paare der Sta­ tor- und Ankerpolflächen sowie der Rückstoßkraft des einzel­ nen Permanentmagneten. Es wäre auch möglich, eine Vorrichtung der beschriebenen Art zu bauen, in der nur ein Permanentmagnet und ein Statorpolflächen- und Ankerpolflächenpaar verwendet wird, wobei zwischen dem Anker und dem Stator ein keine Arbeit leistender Luftspalt zur Bildung eines Flußrückkehr­ wegs vorgesehen ist.

Der Ausdruck "linear wirkend" ist in der Beschreibung und in den Ansprüchen dazu benutzt, eine Vorrichtung mit einer geradlinigen Ankerbewegung im Unterschied zu einer Drehmagnet­ vorrichtung zu beschreiben.

Claims (5)

1. Linear wirkendes Solenoid mit einer Statorvorrichtung mit einem Statorgehäuse, das innerhalb von zwei axial im Abstand voneinander liegenden, zylindrischen Statorpolflä­ chen eine zylindrische Statoröffnung bildet, und das außer­ dem zwischen den Statorpolflächen einen Flußleitungsweg bil­ det, einer in der Statoröffnung parallel zu den Statorpol­ flächen beweglich angebrachten Ankervorrichtung mit zwei axial im Abstand voneinander liegenden, zylindrischen Anker­ polflächen, und wenigstens einem zylindrischen Permanentma­ gneten, der angrenzend an und im axialen Abstand von einer der zwei Ankerpolflächen angebracht ist und wobei die Anker­ vorrichtung außerdem einen Flußleitungsweg zwischen den An­ kerpolflächen bildet, zwei axial im Abstand voneinander lie­ genden ringförmigen Luftspalten zwischen der Ankervorrich­ tung und der Statorvorrichtung, und einer Spulenvorrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Flusses durch das Statorgehäuse und durch die Ankervorrichtung, wenn der Spu­ lenvorrichtung ein elektrischer Strom zugeführt wird, wobei dieser Fluß durch die ringförmigen Luftspalte in einer im wesentlichen radial dazu verlaufenden Richtung fließt, damit die Ankervorrichtung parallel zu den Statorvorflächen bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Per­ manentmagnet (40, 42) so polarisiert ist, daß er einen Fluß erzeugt, der in radialer Richtung durch einen der Luftspalte (50, 52) verläuft, so daß ein durch die Ankervorrichtung (28) und die Statorvorrichtung (10) in einer ersten Richtung ver­ laufender Fluß erzeugt wird, daß die Spulenvorrichtung (24) durch die Ankervorrichtung und die Statorvorrichtung (10) einen Fluß in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung erzeugt, und daß die Ankervorrichtung (28) wenigstens einen zylindrischen Ring (47) aus einem nicht­ magnetischen Material aufweist, wobei dieser Ring (47) auf der Ankervorrichtung (28) angrenzend an den wenigstens einen Parmanentmagneten (40, 42) angebracht ist.

2. Solenoid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ankervorrichtung (28) zwei Permanentmagnete (40, 42) angebracht sind.

3. Solenoid nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zylindrische Ringe (47) aus einem nichtmagnetischen, Material vorgesehen sind, wobei jeder dieser Ringe (47) an­ grenzend an jeweils einen der Permanentmagnete (40, 42) an­ gebracht ist.

4. Solenoid nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen, radial magnetisierten Permanentmagne­ te (40, 42) auf der Ankervorrichtung (28) in einem axialen Abstand voneinander angebracht sind, der dem axialen Abstand der Statorpolflächen (18, 20) entspricht.

5. Solenoid nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ankervorrichtung (28) von einer Lagervorrichtung (48) unter Bildung der Luftspalte (50, 52) angrenzend an die Statorvorrichtung (10) parallel zu den Statorpolflächen (18, 20) geradlinig beweglich gehalten ist.