DE3241254A1

DE3241254A1 - Elektromechanisches stellglied

Info

Publication number: DE3241254A1
Application number: DE19823241254
Authority: DE
Inventors: Richard D Cummins
Original assignee: Moog Inc
Current assignee: Moog Inc
Priority date: 1981-11-16
Filing date: 1982-11-09
Publication date: 1983-05-19
Also published as: GB2111755B; US4641072A; DE3241254C2; JPH0493485U; JPS5889059A; FR2516698A1; GB2111755A

Description

Dipl.-Ing. Manfred Bonsmann _ 7* χ"'; -\ KtädenkjrphshV Straße 35 a Patentanwalt ^:--^: .*.*^: " .:. d-kose.Mbns^ngladbach

Telefon (0 21 61) 1 21

Moog Inc.

Proner Airport, East Aurora, New York 14052, U.S.A.

Elektromechanisches Stellglied
Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft ganz allgemein den Bereich der elektromechanischen Stellglieder, und insbesondere ein in seinen Endlagen verriegelbares verbessertes elektromechanisches Stellglied.

Stand der Technik

Es sind verschiedene Ausführungsformen verriegelbarer elektromechanischer Stellglieder und Solenoiden bekannt, so beispielsweise aus den US-Patentschriften 27 55 045, 33 68 788, 34 41 578, 35 02 105, 37 51 086, 38 14 376, 38 59 547, 38 86 507, 42 03 571 und 42 16 938. Dabei ist gemäß US-PS 38 14 376 ein Permanentmagnet zwischen zwei mit Energie versorgbaren Spulen vorgesehen. Der einzige Magnet erzeugt zwei Jede Spule umgebende magnetische Kreise.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes elektromechanisches Stellglied mit wenigstens zwei Permanentmagneten vorgesehen, welches wenigstens vier kooperative und von der Spule unabhängige magnetische Kreise erzeugt.

Das verbesserte Stellglied umfaßt im weitesten Sinne: Einen

aus magnetisch permeablem Werkstoff bestehenden Stellgliedkörper mit einer darin befindlichen Kammer, welche durch im Abstand voneinander angeordnete erste und zweite Endwände begrenzt wird; einen verschiebbar in dem Stellgliedkörper angebrachten Kolben mit einem innerhalb der Kammer angeordneten Anker, wobei der Kolben zwischen einer Endlage, bei der eine erste Oberfläche des Ankers gegen die erste Bndwand anliegt und einer anderen Endlage bewegbar ist, bei der eine zweite Oberfläche des Ankers gegen die zweite Endwand anliegt, und Jeder Zwischenraum zwischen der ersten Oberfläche und der ersten Endwand einen ersten Luftspalt und Jeder Zwischenraum zwischen der zweiten Oberfläche und der zweiten Endwand einen zweiten Luftspalt bildet; eine abgeschirmte Spule, die in dem Stellgliedkörper angebracht ist und den Anker umgibt, und wenigstens zwei im Stellgliedkörper angebrachte Permanentmagnete, wobei einer der Magnete so ausgestaltet ist, daß er einen kurzen magnetischen Kreis durch den Stellgliedkörper und den Anker erzeugt, der nicht durch die zweite Endwand geht, sowie einen langen magnetischen Kreis, der nicht durch die erste Endwand geht, und einer anderer Magnet so ausgebildet ist, daß er einen kurzen magnetischen Kreis erzeugt, der durch den Stellgliedkörper und den Anker und nicht durch die erste Endwand geht, sowie einen langen magnetischen Kreis, der nicht durch die zweite Endwand geht.

Gegenstand der Erfindung ist ganz allgemein die Verbesserung eines elektromechanischen Stellgliedes.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Stellglied vorzusehen, bei dem ein Anker in Jeder seiner Endlage verriegelbar ist.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Stellglied vorzuschlagen, bei dem der Anker selektiv länge eines Arbeitsbereiches der Bewegung bewegbar und in Jeder Endlage verriegelbar ist.

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung erge-

ben sich aus der vorstehenden und nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist fragmentarischer Längsschnitt durch das elektromagnetische Stellglied, wobei der obere Teil im

Schnitt dargestellt und der untere Teil zur Hervorhebung der Umrisse ohne Schnittlinien gezeichnet ist.

Fig. 2 ist eine ohne Schnittlinien gezeichnete Ansicht des in Fig. 1 dargestellten oberen Teils und stellt den

Anker in einer Mittellage dar.

Fig. 3 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 2, wobei jedoch der Anker in seiner linken Verriegelungsstellung dargestellt ist. Weiterhin ist die Dominanz des ersten kurzen magnetischen Kreises und des langen zweiten

magnetischen Kreises des Ankers in dieser Lage erkennbar .

Fig. 4 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 2, wobei Jedoch der Anker in seiner rechten Verriegelungsstellung gezeigt und die Dominanz des zweiten kurzen magne

tischen Kreises und des ersten langen magnetischen Kreises bei dieser Lage des Ankers dargestellt ist.

Fig. 5 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 2, wobei jedoch ein Paar entgegengesetzt vorgespannter, zwischen dem Kolben und dem Stellgliedkörper wirksamer Fe

dern dargestellt ist.

Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der auf den Anker ausgeübten Kraft im Verhältnis zur Lage des Ankers. Es ist ersichtlich, daß die von den Vorspannfedern ausgeübte nutzbare Kraft so gewählt werden kann, daß

die Ankerkraft aufgehoben wird.

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm mit einer Darstellung des

Einsatzes eines zur Erzeugung eines negativen Rückführungssignals zu verwendenden Lagefühlers.

Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele

Eingangs sei bemerkt, daß gleiche Bezugszeichen in den einzelnen Figuren zur Kennzeichnung der gleichen Elemente und/ oder Strukturen verwendet werden. Ebenso werden die Elemente und/oder Strukturen durchgehend durch die gesamte Beschreibung erläutert bzw. erklärt, da diese detaillierte Beschreibung einen integrierten Teil der Gesamtbeschreibung darstellt.

Wie aus den Zeichnungen, insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich, sieht die Erfindung ein verbessertes elektromechanisches Stellglied vor, dessen gegenwärtig bevorzugte AusfUhrungsform insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Dieses Stellglied weist einen Stellgliedkörper 11, einen daran beweglich angebrachten Kolben 12, eine Spule 13 und zwei Permanentmagnete 14, 15 auf.

Der Stellgliedkörper 11 besteht aus Einzelteilen und weist ein Außenteil 16, ein rechtes und linkes Endteil 18, 19, ein linkes Abschlußkopfstück 20 und rechte und linke Innenteile 21, 22 auf. Diese Stellgliedkörperteile 16 bis 22 bestehen einzeln aus magnetisch permeablem Werkstoff.

Der Stellgliedkörperaußenteil 16 ist ein gesondert gestaltetes ringförmiges Element mit einem etwa L-förmigen Längsschnitt. Im einzelnen ist der Außenteil 16 nacheinanderfolgend begrenzt durch eine nach außen horizontal verlaufende, zylindrische Oberfläche 23, eine zur rechten Seite gerichtete vertikale ringförmige Oberfläche 24, eine nach innen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 25, eine nach innen und links gerichtete kegelstumpfförmige Oberfläche 26,

eine nach links gerichtete vertikale Ringfläche 28, eine nach innen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 29, die im Anschluß an ihr linkes Ende mit einem Innengewindeteil 30 versehen ist, und eine nach links gewandte vertika-Ie Ringfläche 31, die sich radial bis zu einer Verbindung mit der Oberfläche 23 nach außen erstreckt. Der Außenteil 16 weist zur Durchfuhrung von zu der Spule führenden elektrischen Leitungen zwei horizontale durchgehende öffnungen 32, 32 auf, die sich zwischen den Oberflächen 24 und 28 erstrecken.

Der linke Gehäuseteil 18 ist ebenfalls ein speziell gestaltetes ringförmiges Element und wird nacheinanderfolgend begrenzt durch eine nach links gerichtete, vertikale, ringförmige Oberfläche 33, eine nach innen gerichtete horizontale

1$ zylindrische Oberfläche 34, eine nach rechts gerichtete ringförmige vertikale Oberfläche 35, eine nach außen gewandte, horizontale zylindrische Oberfläche 36, eine vertikale Oberfläche 38, eine nach außen gewandte kurze horizontale zylindrische Oberfläche 39 und eine nach links und außen gerichtete kegelstumpfförmige Oberfläche 40, die bis zu der Oberfläche 33 führt.

Der rechte Endteil 19 entspricht spiegelbildlich dem linken Endteil 18 und ist nacheinanderfolgend begrenzt durch eine nach rechts gerichtete vertikale ringförmige Oberfläche 41, eine nach innen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 42, eine nach links gerichtete ringförmige vertikale Oberfläche 43, eine nach außen gerichtete horizontale zylindrische Oberfläche 44, eine nach links gewandte vertikale ringförmige Oberfläche 45, eine kurze, nach außen gewandte horizontale Oberfläche 46 und eine nach außen und rechts gewandte, kegelstumpfförmige Oberfläche 48, die in die Oberfläche 41 übergeht. Die Oberfläche 48 hat einen flächigen Kontakt mit der Außenteiloberflache 26.

Das Abschlußkopfstück 20 ist ein weiteres, speziell gestal-

tetes ringförmiges Element und aufeinanderfolgend begrenzt durch eine nach links gerichtete, vertikale ringförmige Oberfläche 49, eine nach innen gewandte, kurze horizontale zylindrische Oberfläche 50, eine nach innen und rechts gewandte, kegelstumpfförmige Oberfläche 51, die in flächigem Kontakt mit der Oberfläche 40 steht, eine nach rechts gewandte, vertikale ringförmige Oberfläche 52 und ein nach außen gerichtetes, mit einem Außengewinde versehenes Teil 53, welches passend zu dem Gewindebereich 30 des Außenteiles 16 ausgebildet ist. Das Abschlußkopfstück 20 kann mit (nicht dargestellten) geeigneten öffnungen zur Aufnahme eines passenden Drehwerkzeuges (nicht dargestellt) versehen sein, mittels dessen das Abschlußkopfstück mit dem Außenteil zusammen- bzw. auseinandergeschraubt werden kann.

Der linke Innenteil 21 des Stellgliedkörpers ist ein ringförmiges Element und nacheinanderfolgend begrenzt durch eine nach innen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 54, eine nach rechts gewandte vertikale ringförmige Oberfläche 55, eine nach außen gewandte, kurze horizontale zylindrische Oberfläche 56, eine nach außen und rechts gewandte, kegelstumpfförmige Oberfläche 56 und eine nach links gewandte vertikale ringförmige Oberfläche 59.

Der rechte Innenteil 22 des Stellgliedkörpers entspricht spiegelbildlich dem linken Innenteil 21 und weist nacheinanderfolgend eine nach innen gewandte, horizontale zylindrische Oberfläche 60, eine nach links gewandte, ringförmige vertikale Oberfläche 61, eine nach außen gewandte, kurze horizontale zylindrische Oberfläche 62, eine nach außen und links gewandte kegelstumpfförmige Oberfläche 63 und eine nach rechts gewandte, ringförmige vertikale Oberfläche 64 auf.

Der linke oder erste permanente Magnet 14 ist ein ringförmiges, scheibenähnliches Element und weist eine nach innen gewandte, horizontale zylindrische Oberfläche 65 auf, deren linker Bereich gegen den linken Teil der Oberfläche 36 anliegt, und eine nach links gewandte, ringförmige vertikale Oberfläche 66, die gegen den linken Teil der Oberfläche 38 anliegt,

eine nach außen gewandte, zylindrische Oberfläche 68 sowie eine nach rechts gewandte ringförmige vertikale Oberfläche 69, die gegen den linken inneren Teil der Oberfläche 59 anliegt.

Der rechte oder zweite Permanentmagnet 15 ist vom Aufbau

entsprechend demjenigen des linken Magneten 14 und hat eine nach innen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 70, deren rechter Bereich gegen den rechten Teil der Oberfläche 44 anliegt, eine nach links gewandte, ringförmige vertikale Oberfläche 71, die gegen den rechten inneren Teil der Oberfläche 64 anliegt, eine nach außen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 72 und eine nach rechts gewandte ringförmige vertikale Oberfläche 73, die gegen den rechten Teil der Oberfläche 45 anliegt. Der rechte Magnet 15 ist so angeordnet, daß sein nach links gewandter SUdpol S dem nach rechts gerichteten gleichen Pol des linken Magneten 14 zugewandt ist.

Die ringförmige Spule 13 ist zwischen dem Außenteil 16, den Innenteilen 21, 22 und den beiden Permanentmagneten 14, 15 angeordnet. Ein relativ dünnes, ringförmiges dielektrisches Element 74 liegt zwischen der Spule und den Oberflächen 52, 39, 68, 58, 56, 62, 63, 72, 46 und 28. Somit muß bei einer Energiezufuhr zu der Spule das dadurch erzeugte magnetische Feld das dielektrische Element 74 umwandern, welches somit die Wirkung eines Luftspaltes hat. In diesem Zusammenhang sei darauf verwiesen, daß kein Teil des dielektrischen Elementes zwischen der Spule und einer Außenoberfläche 29 des Gehäusekörpers angeordnet ist. Bei Energiezufuhr zu der Spule kann somit das magnetische Feld in den Außenteil eintreten und wird um die Spule und das dielektrische Element ge- leitet.

Der Kolben 12 weist eine Stange 75 aus einem magnetisch undurchlässigen Werkstoff und einen Eisenanker 76 auf. Die Stange 75 hat einen verschiebbar in der Innenoberfläche 34 des linken Stellgliedkörperteils gelagerten horizontalen zylindrischen Abschnitt 78, einen mit einem Außengewinde

versehenen Zwischenteil 79 und einen weiteren horizontalen zylindrischen Abschnitt 80, der verschiebbar in der Innenoberfläche 42 des rechten Stellgliedkörperteils angeordnet ist. Der Anker 76 ist ein axial verdicktes scheibenförmiges Element mit einer ringförmigen vertikalen linken Oberfläche 81, einer ringförmigen vertikalen rechten Oberfläche 82, einer nach außen gewandten horizontalen zylindrischen Oberfläche 83 und einer mit einem Innengewinde versehenen, durchgehenden axialen öffnung 84, die den Gewindeteil 79 der Stange aufnimmt. Auf diese Weise sind die Stange und der Anker fest verbunden und bilden den Kolben. Der Anker ist innerhalb einer Kammer 85 des Stellgliedkörpers angeordnet, die durch die Oberflächen 35, 65, 54, 60, 70 und 43 begrenzt wird. Die Oberfläche 35 bildet die linke Wand der Kammer, die Oberfläche 43 deren rechte Wand und die aufeinanderfolgenden zylindrischen Oberflächen 65, 54, 60 und 70 die radiale Innenbegrenzung. Auf diese Weise ist der Kolben verschiebbar in dem Stellgliedkörper angeordnet, und zwar zwischen einer Endlage, bei der die linke Oberfläche des Ankers gegen die Oberfläche 35 des Stellgliedkörpers anliegt und einer anderen Endlage, bei der die rechte Oberfläche 62 des Ankers gegen die Oberfläche 43 des Stellgliedkörpers anliegt. In Fig. 2 liegt die rechte Oberfläche 82 des Ankers gegen die Oberfläche 43 des Stellgliedkörpers an. In Fig. 1 ist die rechte Oberfläche 82 der Oberfläche 43 des Stellgliedkörpers zugewandt. In Fig. 1 nimmt der Anker eine Stellung zwischen den beiden Endlagen ein, wodurch ein erster oder linker Luftspalt 86 zwischen den Oberflächen 35 und 81 und ein rechter Luftspalt 88 zwischen den Oberflächen 43 und 82 gebildet wird. Wenn der Anker in einer Endlage ist, ist der eine Luftspalt nicht mehr vorhanden, während der andere seine größte Breite hat.

Gemäß Fig. 2 weist das erfindungsgemäße Stellglied eine Mehrzahl magnetischer Kreise auf, die zur Erzielung der gewUnschten Ergebnisse kooperativ miteinander zusammenwirken. Der hier verwendete Ausdruck "magnetischer Kreis" bezieht sich auf den Kraftlinienfluß von einem Pol eines Magneten zu des-

- 15 - : : ·..: . : : . .* . .· sen entgegengesetztem Pol.

So weist der erste Magnet 14 einen kurzen magnetischen Kreis Lg₁ auf, durch den der Nordpol und der Südpol Über den linken inneren Teil 21, den Anker 76, den ersten Luft spalt 86 (falls vorhanden) und den linken Stellgliedkörper teil 18 verbunden werden. Der erste Magnet 14 weist darüber hinaus einen langen, die Pole verbindenden magnetischen Kreis L_L1 auf, der sich über den linken inneren Teil 21, den Anker 76, den rechten Luftspalt 88 (falls vorhanden), den rechten Gehäuseteil 19, den äußeren Stellgliedkörperteil 11, das Anschlußkopfstück 20 und den linken Stellgliedkörperteil 18 erstreckt. In ähnlicher Weise sind die Pole des zweiten Magneten 15 über einen kurzen magnetischen Kreis Lg₂ verbunden, und zwar über den inneren Stellgliedkörperteil 22, den rech» ten Luftspalt 88 und den rechten Stellgliedkörperteil 19.

Weiterhin weist dieser Magnet einen langen magnetischen Kreis Lt £ auf, durch den seine Pole über den inneren Stellgliedkörperteil 22, den Anker 76, den linken Luftspalt 86, den linken Stellgliedkörperteil 18, das Abschlußkopfstück 20, den äuße ren Stellgliedkörperteil 11 und den rechten Stellgliedkörper teil 19 verbunden werden. So erzeugt Jeder Magnet einen kurzen magnetischen Kreis, welcher radial innerhalb der abgeschirmten Spule liegt, und einen die Spule umgebenden langen magnetischen Kreis. Da die beiden Magnete so angeordnet sind, daß gleichnamige Pole einander zugewandt sind, sind die Kraftlinien der Flußrichtungen einander entgegengesetzt. Somit verläuft - unter der Annahme, daß der Kraftlinienfluß vom Nordpol zum Südpol gerichtet ist - die Flußrichtung für den kurzen magnetischen Kreis Lo₁ des ersten Magneten im Uhrzeiger- ,Jinn, während die Flußrichtung des kurzen magnetischen Kreises L_S2 des zweiten Magneten entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet ist. Infolge des axialen Abstandes zwischen den Magneten stören sich diese beiden kurzen magnetischen Kreise nicht. Die Größe des magnetischen Flusses (d.h., die Fluß dichte) in Jedem kurzen magnetischen Kreis hängt von der Breite des zugeordneten Luftspaltes ab, den der magnetische Fluß passieren muß. Wenn beispielsweise der Anker eine Mit-

tellage einnimmt, derart, daß die Luftspalte 86 und 88 eine gleiche Breite aufweisen, ist die Flußdichte in den beiden kurzen magnetischen Kreisen Lg₁ und L₅₂ bei gleicher Stärke der Magneten etwa gleich groß. Wenn sich jedoch der Anker in Richtung auf eine der Endbegrenzungawände der Kammer bewegt, nimmt die Breite des einen Luftspaltes ab, während die Breite des anderen entsprechend größer wird. Bewegt sich beispielsweise der Anker so nach links, daß er gegen die linke Endbegrenzungswand 35 zur Anlage kommt (Fig. 3), so verschwindet der erste Luftspalt 86, während der zweite Luftspalt seine größte Breite hat. In dieser Lage ist die Flußdichte des kurzen magnetischen Kreises L₃₁ des ersten Magneten auf ihrem Maximum, da der erste Luftspalt 86 nicht mehr vorhanden ist, während die Flußdichte des kurzen magnetischen Kreises L₃₂ des zweiten Magneten auf ihrem Minimum ist, da der den magnetischen Fluß behindernde zweite Luftspalt 88 seine maximale Breite hat.

Wenn sich umgekehrt der Anker so nach rechts bewegt, daß er gegen die rechte Endbegrenzungswand 43 zur Anlage kommt (Fig. 4), so ist die Flußdichte des kurzen magnetischen Kreises Lg₂ des zweiten Magneten auf ihrem Maximum, da der zweite Luftspalt 88 nicht mehr vorhanden ist, während die Flußdichte in dem kurzen magnetischen Kreis L₃₁ des ersten Magneten auf ihrem Minimum ist, da der erste Luftspalt 86 seine größte Breite hat. Innerhalb dieser beiden Extremwerte der Ankerposition ändern sich die Flußdichten in den beiden kurzen magnetischen Kreisen umgekehrt zu der Breite des zugeordneten naheliegenden Luftspaltes. Wie bereits erwähnt, interferieren die beiden kurzen magnetischen Kreise einander nicht.

Anders sind die Verhältnisse bei den beiden langen magnetischen Kreisen. Die Flußrichtung des langen magnetischen Kreises L_L1 des ersten Magneten ist als entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufend dargestellt, während die Flußrichtung des langen magnetischen Kreises L.₂ des zweiten Magneten als im Uhrzeigersinn verlaufend dargestellt ist. Im Gegensatz zu

den beiden sich nicht störenden kurzen magnetischen Kreisen müssen diese beiden langen magnetischen Kreise durch den äußeren Stellgliedkörperteil 11 hindurchtreten. Da die Wege einander Überlappen, sind die Flußrichtungen der bei den langen magnetischen Kreise in diesem gemeinsamen Element einander entgegenwirkend. Während die beiden kurzen magnetischen Kreise die naheliegenden Luftspalte einschließen, müssen die beiden langen magnetischen Kreise durch die entfernt liegenden Luftspalte hindurchtreten. In jedem langen magneti sehen Kreis verändert sich die Flußdichte umgekehrt zu der Breite des entfernt liegenden Luftspaltes. Wenn beispielsweise der Anker seine Mittellage einnimmt, derart, daß die Luftspalte 86 und 68 gleiche Breiten haben (Fig. Z) sind die Flußdichten in den langen magnetischen Kreisen etwa gleich, wie- derum unter der Annahme, daß die Magnete gleiche Stärke aufweisen. Unter dieser Voraussetzung wirken die einander entgegenwirkenden langen magnetischen Kreise gegeneinander und heben sich in dem Außenteil 11 des Stellgliedkörpers gegenseitig aus.

Bewegt sich jedoch der Anker 76 soweit nach links, daß er

gegen die linke Endwand 35 der Kammer zur Anlage kommt (Fig. 3), so ist der Luftspalt 86 nicht mehr vorhanden, während die Breite des rechten Luftspaltes gegenüber der in Flg. 2 dargestellten Breite verdoppelt ist. Da der erste Luftspalt 86 geschlossen wurde, hat in dieser Lage die Flußdichte des langen magnetischen Kreises des zweiten Magneten ihren Maximalwert, während die Flußdichte des langen magnetischen Kreises des ersten Magneten ihren Minimalwert hat, weil der den magnetischen Fluß behindernde zweite Luftspalt 88 seine maxl male Breite hat.

Wenn sich umgekehrt der Anker 76 nach rechts bewegt und gegen die rechte Endwand 43 der Kammer zur Anlage kommt (Fig. 4), so ist die Flußdichte in dem langen Magnetkreis des ersten Magneten auf ihrem Maximum, da der zweite Luftspalt geschlossen ist, während die Flußdichte in dem langen magneti schen Kreis des zweiten Magneten ihr Minimum hat, da der er-

- 18 - : :^:..: .*:*:..-ste Luftspalt seine maximale Breite aufweist.

Der Spule 13 kann natürlich selektiv zur Erzeugung eines das dielektrische Element umgebenden Spulenflusses Energie zugeführt werden. Die Bahn des Spulenflusses ist in Fig. 5 mit der gestrichelten Linie 77 bezeichnet. Die Richtung des Spulenflusses wird durch die Polarität des aufgegebenen Signals bestimmt, während die Flußdichte von der Größe eines derartigen Signals abhängt. Die Magnete 14 und 15 können für den Spulenfluß nur teilweise permeabel ausgebildet sein. Der Spulenfluß nimmt den Weg des geringsten Widerstandes und überspringt, falls erforderlich, die Luftspalte 86 und/oder 88 auf seinem Weg rings um die Spule. Die Lage des Ankers relativ zu der Kammer kann selektiv mit der Größe und der Polarität eines derart aufgegebenen Signals gesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Stellgliedes 10 bietet eine Anzahl erheblicher Vorteile. Erstens kann die Position des Ankers selektiv über das der Spule 13 zugeführte Signal gesteuert werden. Zweitens kann der Anker dann, wenn der Spule keine Energie zugeführt wird, gegen jede beliebige Kammerendwand "verriegelt" werden. Wenn beispielsweise der Anker seine linke Endlage (Fig. 3) einnimmt, dominiert die ihren Maximalwert einnehmende Flußdichte in dem kurzen magnetischen Kreis des ersten Magneten gegenüber der ihren Minimalwert einnehmenden Flußdichte des kurzen magnetischen Kreises des zweiten Magneten. Gleichzeitig dominiert die ihren Maximalwert einnehmende Flußdichte des langen magnetischen Kreises des zweiten Magneten gegenüber der ihren Minimalwert einnehmenden Flußdichte des langen magnetischen Kreises des ersten Magneten, Da die Flußrichtungen in dem kurzen magnetischen Kreis des ersten Magneten und in dem langen magnetischen Kreis des zweiten Magneten beide in Uhrzeigerrichtung verlaufen, unterstützen sich ihre jeweils den Maximalwert einnehmenden Flußdichten gegenseitig, dahingehend, den Anker in einer linken "verriegelten¹¹, gegen die linke Endwand 35 anliegenden Lage solange zu halten, bis der Spule ein geeignetes umgekehrtes Signal zugeführt wird. Wenn andererseits der Anker seine rechte Endlage einnimmt

(Fig. 4), dominiert die ihren Maximalwert einnehmende Flußdichte in dem kurzen magnetischen Kreis des zweiten Magneten gegenüber der ihren Minimalwert einnehmenden Flußdichte in dem kurzen magnetischen Kreis des ersten Magneten. Die ihren Maximalwert einnehmende Flußdichte des langen magnetischen Kreises des ersten Magneten dominiert jedoch gegenüber der ihren Minimalwert einnehmenden Flußdichte des langen magnetischen Kreises des zweiten Magneten, und die Resultierende dieser beiden einander überlagernden, entgegen dem Uhrzeigersinn gerichteten magnetischen Flüsse hält den Anker sicher in einer "verriegelten" Lage gegen die rechte Endwand 43 der Kammer, bis der Spule ein geeignetes umgekehrtes Signal zugeführt wird. So kann der Anker in jeder Endlage in einer "Verriegelungsstellung" gehalten werden, wenn der Spule keine Energie zugeführt wird. Somit unterstützt und verstärkt der magnetische Fluß in dem langen magnetischen Kreis eines Magneten in jeder "verriegelten" Lage den Fluß in dem kurzen magnetischen Kreis des anderen Magneten. Dies macht das erfindungsgemäße Stellglied insbesondere für eine "Ein-Aus"-Steuerung geeignet, ^da in ^der Verriegelungslage des Ankers die Spule abgeschaltet werden kann, wodurch ein ansonsten erforderlicher Energieverbrauch reduziert wird. Das Stellglied hat somit eine kippähnliche (toggle-like) Arbeitsweise, wobei das Stellglied in jeder Verriegelungslage stabil ist. Der Anker kann jedoch durch ein selektiv aufgegebenes, geeignetes Steuersignal in jede Zwischenlage gebracht werden.

Proportionale Wirkungsweise (Fig. 5 bis 7)

Während die in Fig. 1 bis 4 dargestellten AusfUhrungsformen ein unstabiles, kippähnliches Verhalten aufweisen, kann das erfindungsgemäße Stellglied ohne weiteres für eine proportionale Wirkungsweise modifiziert werden (beispielsweise derart, daß die Position des Ankers eine lineare Funktion des Spulenstromes darstellt).

Hierfür ist das in Fig. 5 dargestellte Stellglied 10 mit einem leicht abgewandelten Kolben versehen, der links einen

fest auf der Stange 75 angebrachten, umlaufend wirksamen Vorsprung oder Ring 90 aufweist. Eine Schraubenfeder 91 (od. dgl.) ist so angeordnet, daß sie zwischen dem Ring 90 und der nach links gerichteten vertikalen ringförmigen Oberfläche 33 des linken Gehäuseteils 18 wirksam ist. Falls gewünscht, kann rechts auf der Stange 75 ein entsprechender umlaufend wirksamer Ring 92 angeordnet sein. Darüber hinaus kann eine weitere Schraubfeder 93 derart zusammendrückbar angeordnet sein, daß sie zwischen dem Ring 92 und der nach rechts gerichteten, umlaufenden vertikalen Oberfläche 41 des rechten Gehäuseteils 19 wirksam ist. Die Art und Lage dieser Ankerzentrierfedern ist lediglich beispielsweise und kann ohne weiteres abgewandelt werden. Wenn sich der Anker relativ zu dem Stellgliedkörper bewegt, wird eine der Federn weiter zusammengedrückt, während die andere gedehnt wird. Wird beispielsweise der Anker aus der in Fig. 5 dargestellten Mittellage nach links bewegt, so wird die rechte Feder 93 mehr zusammengedrückt und die linke Feder 91 gedehnt.

Da eine Schraubenfeder in einem Arbeitsbereich ein lineares Verhältnis Kraft-Verschiebeweg aufweist, kann die Feder bzw. können die Federn so gewählt werden, daß die magnetischen Kräfte, die den Anker in eine Verriegelungsstellung bewegen wollen, im Gleichgewicht gehalten werden. In Fig. 6 ist die auf den Anker (Ordinate) einwirkende Kraft im Verhältnis zur Position des Ankers (Abszisse) dargestellt. Die verschiedenen magnetischen Kreise erzeugen Kräfte, welche den Anker in eine der Verriegelungsstellungen bewegen wollen, wie durch die Kurve 94 angedeutet. Die Kurve 94 weist innerhalb eines Arbeltsbereiches der Lage des Ankers einen im wesentlichen

^O linear ausgebildeten Steigungsbereich M₁ auf. Die Federn 93 und 94 können so ausgewählt werden, daß ihre Gesamtwirkung einer mit 95 in Fig. 6 bezeichneten Kurve entspricht, die eine entgegengesetzt gerichtete, jedoch im wesentlichen gleiche Steigung M₂ aufweist. Die Neigung der Kurve 95 kann in einfacher Weise durch die Auswahl von Federn mit der gewünschten Federkraft variiert werden, oder dadurch, daß der Betrag

• · *■ ■ * * ,Γ

des Zusammendrück-Federweges verändert wird, überlagern sich die Kurven 94 und 95 innerhalb des Arbeitsbereiches, so löschen sich diese gegenseitig aus, so daß in Jeder Position des Ankere innerhalb des Arbeitsbereiches auf den Anker eine resultierende Kraft von der Größe 0 ausgeübt wird. In Fig. 6 ist außerdem in strichpunktierten Linien die Aufgabe eines positiven Spulenstroms (i « +1) und die Aufgabe eines negativen Spulenstroms (i - -1) dargestellt.

Zur Erfassung der Jeweiligen Position des Ankere kann ein geeigneter Lagefühler 95, wie etwa ein Potentiometer oder ein LVDT (linearvariabler Differentialtransformator) verwendet und zur Lieferung des elektrischen Analogwertes der festgestellten Position in Form eines negativen Rückführungssignals eingesetzt werden, wie in Fig. 7 dargestellt. In die- sem System wird ein (die gewünschte Ankerposition reflektierendes) elektrisches Steuersignal einem Summierpunkt 96 zugeführt, welchem außerdem das negative von dem Lagerfühler 95 stammende Rückführungssignal zugeführt wird. Die algebraische Summe dieser beiden Signale wird der Spule als Fehlersignal zugeführt. Das Fehlersignal hat eine Korrekturverschiebung des Ankers zur folge. Der Anker erreicht schließlich die befohlene Position. Zu diesem Zeitpunkt ist das Fehlersignal 0. In diesem Zustand bleibt der Anker in der befohlenen Lage, da innerhalb des Arbeitsbereiches keine resultierende Kraft auf den Anker ausgeübt wird. Somit kann wenigstens eine Feder so ausgebildet sein, daß sie Proportionalitätseigenschaften innerhalb des Arbeitsbereiches hat, und diese Eigenschaft kann durch einen die Position feststellenden Wandler (Transducer) in einer negativen RUckkopplungsschleife vergrössert werden. Obwohl somit der Anker gemäß Fig. 5 so dargestellt ist, daß er zwei Federn enthält, kann, falls gewünscht, lediglich eine Feder vorgesehen sein.

Abwandlungen

Die vorliegende Erfindung kann vielseitig abgewandelt werden.

Die Werkstoffe der einzelnen Teile und Komponenten sind unerheblich und können vielfach variiert werden. Die spezielle Lage der Magnete kann variiert werden. Während gegenwärtig ringförmige Magnete bevorzugt werden, braucht dies nicht unveränderlich so zu sein. In gleicher Weise kann die spezielle Form der Einzelkomponenten geändert oder variiert werden. Die verschiedenen Komponenten können einstückig oder geteilt ausgebildet sein, je nach Wunsch. Die Gestaltung des dielektrischen Schildes, welches dazu dient, den langen magnetischen Kreis eines jeden Magneten von dem kurzen magnetischen Kreis desselben zu trennen, kann ebenfalls abgewandelt ausgebildet sein. Falls gewünscht, kann die Kolbenstange aus magnetisch undurchlässigem Werkstoff bestehen. Die Art der Anbringung des Eisenankers an der Stange kann ebenfalls verändert werden. Darüber hinaus können weitere Wechsel und Modifikationen vorgenommen werden. Die Erfindung sieht somit in breitester Weise ein verbessertes elektromechanisches Stellglied vor, welches eine Anzahl von Vorteilen während des Betriebes hat. Das Stellglied kann vielseitig eingesetzt werden, so zur Steuerung der Bewegung oder Verschiebung eines Ventilgliedes relativ zu einem Sitz oder Durchlaß. Derartige Anwendungsmöglichkeiten sind weit gefächert und vielfältig.

Nachdem vorstehend die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform des verbesserten elektromechanischen Stellgliedes erläutert und beschrieben wurde, und nachdem darüber hinaus mehrere mögliche Modifikationen erörtert wurden, ist für Fachleute ersichtlich, daß ohne Abweichung von der Erfindung viele weitere Abweichungen und Modifikationen vorgenommen werden können.

Claims

Dipl.-lng. Manfred Bonsmann ; " *: KäitienMccherier Straße 35 a

Patentanwalt '"" ---D Jo5O^: Mönchengladbach 1

Telefon (0 21 61) 1 21 14

Akte: 82 198

Moog Inc.

Proner Airport, East Aurora, New York 14052, U.S.A.

Elektromechanisches Stellglied

Patentansprüche

Elektromechanisches Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellgliedkörper (11) aus magnetisch permeablem Werkstoff mit einer darin befindlichen, durch im Abstand voneinander angeordnete erste und zweite Endwände (35, 43) begrenzten Kammer und einem verschiebbar in dem Stellgliedkörper (11) angeordneten Kolben (12) mit einem in der Kammer angeordneten Anker (76) vorgesehen ist, und der Kolben (76) zwischen einer Endlage, bei der eine erste Oberfläche (öl) des Ankers gegen die erste Endwand (35) anliegt und einer anderen Endlage, bei der eine zweite Oberfläche (82) des Ankers (76) gegen die zweite Endwand (43) anliegt, bewegbar ist, und jeder Zwischenraum zwischen der ersten Oberfläche (81) und der ersten Endwand (35) einen ersten Luftspalt (86) und Jeder Zwischenraum zwischen der zweiten Oberfläche (82) und der zweiten Endwand (43) einen zweiten Luftspalt (88) bildet, und der Stellgliedkörper (11) eine den Anker (76) umgebende Spule (13) und wenigstens zwei Permanentmagnete aufweist, wobei ein erster Magnet (14) so ausgebildet ist, daß er einen kurzen magnetischen Kreis (L_qi) durch den Stellgliedkörper und den Anker (76) erzeugt, der die zweite Endwand (43) nicht durchdringt, sowie einen langen magnetischen Kreis (L,^) erzeugt, der die erste End-

wand (35) nicht durchdringt, und ein zweiter Magnet (15) so ausgestaltet ist, daß er einen kurzen magnetischen Kreis (Lq₂) erzeugt, der durch die erste Endwand (35) nicht durchdringt, sowie einen langen magnetischen Kreis (Ll₂) erzeugt, der nicht durch die zweite Endwand (43) durchdringt.

2. Elektromechanisches Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (14, 15) so angeordnet sind, daß die Flußrichtung in dem kurzen magnetischen Kreis (Lc₁) des ersten Magneten (14) der Flußrichtung des kurzen magnetischen Kreises (Lg₂) des zweiten Magneten (15) entgegengesetzt gerichtet ist.

3. Elektromechanisches Stellglied nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrichtung des langen magnetischen Kreises (Lj₁) des ersten Magneten (14) der Flußrichtung des langen magnetischen Kreises (Ltq) des zweiten Magneten (15) entgegengerichtet ist.

4. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (14,

15) derart ausgebildet sind, daß die Flußrichtung des langen magnetischen Kreises (Lr₁) des ersten Magneten (14) der Flußrichtung des kurzen magnetischen Kreises (Lg₂) des zweiten Magneten (15) entspricht.

5· Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprliehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (14, 15) derart angeordnet sind, daß die Flußrichtung des langen magnetischen Kreises (L^) des zweiten Magneten (15) der Flußrichtung des kurzen magnetischen Kreises (L_g1) des ersten Magneten (14) gleichgerichtet ist.

6, Elektromechanisches Stellglied nach einem der AnsprU-

ehe 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußdichten in dem kurzen magnetischen Kreis (Lc₁) des ersten Magneten (14) und dem langen magnetischen Kreis (Lg₂) des zweiten Magneten (15) bei abnehmender Breite des ersten Luftspaltes (86) größer werden.

7. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußdichten in dem langen magnetischen Kreis (L^₁) des ersten Magneten (14) und in dem kurzen magnetischen Kreis (Lg₂) des zweiten Magneten (15) bei abnehmender Breite des zweiten Luft spaltes (88) größer werden.

Θ. Elektromechanisches Stellglied nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußdichten in dem kurzen magnetischen Kreis (Leo) des zweiten Magneten (15) und in dem langen magnetischen Kreis (Lt₁) des ersten Magneten (14) mit abnehmender Breite des ersten LuftSpaltes (86) abnehmen.

9. Elektromechanisches Stellglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußdichten in dem kurzen magne tischen Kreis (L_L2) des zweiten Magneten (15) und in dem langen magnetischen Kreis (Lr₁) des ersten Magneten (14) mit abnehmender Breite des ersten Luftspaltes (86) abnehmen.

10. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrichtungen der langen magnetischen Kreise (Lr₁, Lr,) des ersten und zweiten Magneten (14, 15) in einem Teil des Stellgliedkörpers einander entgegenwirkend verlaufen.

11. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (13) zur

Erzeugung eines Flusses mit der gewünschten Richtung und

Dichte in dem erwähnten Bereich des Gehäusekörpers selektiv Energie zuführbar ist.

12. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Magnet (14) nahe der ersten Endwand (35) und der zweite Magnet (15) nahe der zweiten Endwand (43) angeordnet ist.

13. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ersten Endwand benachbarte Randoberfläche des Stellgliedes den ersten Magneten (14) einschiebbar aufnimmt.

14. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zweiten Endwand (43) benachbarte Randoberfläche des Stellgliedes den zweiten Magneten (15) einschiebbar aufnimmt.

15. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen magnetischen Kreise (Lg₁, Lg₂) des ersten und zweiten Magneten (14, 15) nicht störend aufeinander einwirken.

16. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (76) in einer Verriegelungsstellung bleibt, wenn die erste Oberfläche (81) gegen die erste Endwand (35) anliegt, bis der Spule (13) eine geeignete Energiemenge zur Ver-Schiebung des Stellgliedes von der ersten Endwand weg zugeführt wird.

17. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (76) so lange in einer Verriegelungslage verbleibt, in der die zweite Oberfläche (82) gegen die zweite Endwand (43) anliegt, bis der Spule (13) eine geeignete Energiemenge

zur Verschiebung des Stellgliedes von der zweiten Wand weg zugeführt wird.

18. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung der kurzen magnetischen Kreise (Lq₁» ^op) ^von den langen magnetischen Kreisen (L-., Lr,) zwischen der Spule (13) und den Magneten (14, 15) ein dielektrisches Schild (74) angeordnet ist.

19. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellgliedkörper (11) und dem Kolben (12) wenigstens eine zwischen diesen Elementen wirksame Feder zwecks Entgegenwirkens und Ausgleichens der auf den Anker in einem Arbeitsbereich der Bewegung in Richtung auf eine Verriegelungslage einwirkenden magnetischen Kräfte angeordnet ist.

20. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß -zwei Federn (91, 93) zur Vorspannung des Ankers (76) in einer Mittellage relativ zu dem Stellgliedkörper vorgesehen sind, und die Federn (91, 93) derart ausgebildet sind, daß sie den magnetischen Kräften entgegenwirken und die magnetischen Kräfte ausbalancieren, die auf den Anker in Richtung auf eine Verriegelungslage innerhalb eines Arbeitsbereiches der Bewegung einwirken.

21. Elektromechanisches Stellglied nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lagefühleinrichtung (95) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, daß die jeweilige Lage des Ankers (76) erfaßbar ist und ein elektrisches, der so ermittelten Lage entsprechendes Analogsignal abgegeben werden kann.

22. Elektromechanisches Stellglied nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Summierpunkt (96) vorge-

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sehen ist, dem das Steuersignal und das Analogsignal als negatives RUckstellsignal zuführbar ist, und daß das von dem Summierpunkt (96) der Spule (13) zügeführte Signal die algebraische Summe des Steuersignals und des negativen Rückstellsignals darstellt.