DE3241254C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Stellglied mit einem magnetisch permeablen Stellgliedkörper und einer darin befindlichen Kammer mit zwei die Kammer begrenzenden Endwänden und einem in der Kammer zur Einnahme verschiedener Positionen bewegbaren Anker, wobei die beiden Endwände die jeweilige Extremposition des Ankers begrenzen, und mit einer den Anker umgebenden, im Stellgliedkörper angeordne­ ten Spule und mit Magneteinrichtungen zur magnetischen Beeinflussung der Position des Ankers.

Derartige elektromechanische Stellglieder sind aus der US-PS 38 86 507 und auch aus der US-PS 38 14 376 bekannt. Da­ bei sind die Magneteinrichtungen zur magnetischen Beeinflus­ sung der Position des Ankers als in einer Mittellage zwischen den beiden Endwänden angeordnete Permanentmagnete ausgebil­ det, wobei die Polaritätsrichtung der Permanentmagnete quer zur Hubrichtung des Ankers verläuft. Der größere Anteil des Magnetkreises des Permanentmagneten verläuft jeweils über diejenige Endwand, in deren Bereich der Luft­ spalt zwischen der zugeordneten Stirnseite des Ankers und der Endwand kleiner ist als auf der gegenüberliegenden Seite. Auf diese Weise wird nach einer Bewegung des Ankers durch Zuführung von elektrischem Strom zu der Spule dieser in der jeweiligen Endlage durch Wirkung des Permanentmagneten arretiert.

Zur Verbesserung elektromechanischer Stellglieder der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wirkung der Permanentmagnetfelder unabhängig von der Ankerposition effektiv auszunutzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Magneteinrichtungen als im Bereich der Endwände ange­ ordnete Permanentmagneten ausgebildet sind, deren einander zugewandte Seiten gleiche Polaritäten aufweisen, und daß zwischen den Magneten zum Anker eng beabstandete, ein oder mehrere innere Polschuhe angeordnet sind, und daß die einander abgewandten Polseiten der Permanentmagnete durch äußere Polschuhe miteinander magnetisch leitend verbunden sind, so daß von jedem Permanentmagneten ausgehend sich ein innerer und ein äußerer Magnetkreis ausbildet, wobei der innere Magnetkreis über den dem Permanentmagneten zugeordneten Luftspalt läuft und der äußere Magnetkreis sich über den dem anderen Permanentmagneten zugeordneten Luftspalt schließt, so daß sich der innere Magnetkreis des einen Magneten mit dem äußeren Magnetkreis des anderen Magneten in den Luftspalten verstärkend überlagern.

Durch die verstärkende Überlagerung des jeweils inneren Magnetkreises der einen Permanentmagnetanordnung mit dem äußeren Magnetkreis der anderen Permanentmagnetanordnung er­ gibt sich - von der "neutralen" Mittelstellung aus gesehen in Richtung auf die jeweilige Endlage - ein günstiger Anstieg der durch die sich überlagenden Magnetkreise auf den Anker ausgeübten Kräfte. Die Permanentmagnete werden in vorteilhafter Weise jeweils bei der Umschaltung nicht einem entmagnetisierenden Feld ausgesetzt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zwischen dem Stellgliedkörper und dem Anker wenigstens eine zwischen diesen Elementen wirksame Feder zwecks Entgegenwirkung und Ausgleich der auf den Anker in einem Arbeitsbereich der Bewegung in Richtung auf eine Verriegelungslage einwirkenden magnetischen Kräfte angeordnet ist. Hierdurch wird eine proportionale Wirkungsweise des elektromagnetischen Stellgliedes erreicht.

Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zwei Federn zur Vorspan­ nung des Ankers in einer Mittellage relativ zu dem Stellglied­ körper vorgesehen sind, und daß die Federn 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.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist fragmentarischer Längsschnitt durch das elektro­ magnetische Stellglied, wobei der obere Teil im Schnitt dargestellt und der untere Teil zur Hervor­ hebung der Umrisse ohne Schnittlinie gezeichnet ist.

Fig. 2 ist eine ohne Schnittlinie 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 dar­ gestellt ist. Weiterhin ist die Dominanz des ersten kurzen magnetischen Kreises und des langen zweiten magnetischen Kreises des Ankers in dieser Lage er­ kennbar.

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 Rück­ führungssignals zu verwendenden Lagefühlers.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

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

Wie aus den Zeichnungen, insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich, sieht die Erfindung ein verbessertes elektromechanisches Stellglied vor, dessen gegenwärtig bevorzugte Ausführungs­ form insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Dieses Stellglied weist einen Stellgliedkörper 11, einen daran beweglichen ange­ brachten 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, einen linken inneren Polschuh 21 und einen rechten inneren Polschuh 22 auf. Diese Stellgliedkörperteile 16 bis 22 be­ stehen einzeln aus magnetisch permeablem Werkstoff.

Der Stellgliedkörperaußenteil 16 ist ein gesondert gestalte­ tes ringförmiges Element mit einem etwa L-förmigen Längs­ schnitt. Im einzelnen ist der Außenteil 16 nacheinanderfol­ gend begrenzt durch eine nach außen horizontal verlaufende, zylindrische Oberfläche 23, eine zur rechten Seite gerichte­ te vertikale ringförmige Oberfläche 24, eine nach innen ge­ wandte horizontale zylindrische Oberfläche 25, eine nach in­ nen und links gerichtete kegelstumpfförmige Oberfläche 26, eine links gerichtete vertikale Ringfläche 28, eine nach innen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 29, die im Anschluß an ihr linkes Ende mit einem Innengewinde­ teil 30 versehen ist, und eine nach links gewandte vertika­ le Ringfläche 31, die sich radial bis zu einer Verbindung mit der Oberfläche 23 nach außen erstreckt. Der Außenteil 16 weist zur Durchführung von zu der Spule führenden elek­ trischen Leitungen zwei horizontale durchgehende Öffnungen 32, 32 auf, die sich zwischen den Oberflächen 24 und 28 er­ strecken.

Der linke Gehäuseteil 18 ist ebenfalls ein speziell gestal­ tetes ringförmiges Element und wird nacheinanderfolgend be­ grenzt durch eine nach links gerichtete, vertikale, ringför­ mige Oberfläche 33, eine nach innen gerichtete horizontale zylindrische Oberfläche 34, eine nach rechts gerichtete ring­ förmige vertikale Oberfläche 35, eine nach außen gewandte, horizontale zylindrische Oberfläche 36, eine vertikale Ober­ fläche 38, eine nach außen gewandte kurze horizontale zylin­ drische Oberfläche 39 und eine nach links und außen gerichte­ te kegelstumpfförmige Oberfläche 40, die bis zu der Oberflä­ che 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 Oberflä­ che 42, eine nach links gerichtete ringförmige vertikale Oberfläche 43, eine nach außen gerichtete horizontale zylin­ drische Oberfläche 44, eine nach links gewandte vertikale ringförmige Oberfläche 45, eine kurze, nach außen gewandte horizontale Oberfläche 46 und eine nach außen und rechts ge­ wante, kegelstumpfförmige Oberfläche 48, die in die Ober­ fläche 41 übergeht. Die Oberfläche 48 hat einen flächigen Kontakt mit der Außenteiloberfläche 26.

Das Abschlußkopfstück 20 ist ein weiteres, speziell gestal­ tetes ringförmiges Element und aufeinanderfolgend begrenzt durch eine nach links gerichtete, vertikale ringförmige Ober­ fläche 49, eine nach innen gewandte, kurze horizontale zylin­ drische Oberfläche 50, eine nach innen und rechts gewandte kegelstumpfförmige Oberfläche 51, die in flächigem Kontakt mit der Oberfläche 40 steht, eine nach rechts gewandte, ver­ tikale ringförmige Oberfläche 52 und ein nach außen gerichte­ tes, mit einem Außengewinde versehenes Teil 53, welches pas­ send zu dem Gewindebereich 30 des Außenteiles 16 ausgebildet ist. Das Abschlußkopfstück 20 kann mit (nicht dargestellten) geeigneten Öffnungen zur Aufnahme eines passenden Drehwerk­ zeuges (nicht dargestellt) versehen sein, mittels dessen das Abschlußkopfstück mit dem Außenteil zusammen- bzw. auseinan­ dergeschraubt werden kann.

Der linke innere Polschuh 21 des Stellgliedkörpers ist ein ring­ förmiges Element und nacheinanderfolgend begrenzt durch ei­ ne nach innen gewandte horizontale zylindrische Oberfläche 54, eine nach rechts gewandte vertikale ringförmige Oberflä­ che 55, eine nach außen gewandte, kurze horizontale zylin­ drische Oberfläche 56, eine nach außen und rechts gewandte, kegelstumpfförmige Oberfläche58 und eine nach links ge­ wandte vertikale ringförmige Oberfläche 59.

Der rechte innere Polschuh 22 des Stellgliedkörpers entspricht spiegelbildlich dem linken inneren Polschuh 21 und weist nachein­ anderfolgend eine nach innen gewandte, horizontale zylin­ drische Oberfläche 60, eine nach links gewandte, ringför­ mige vertikale Oberfläche 61, eine nach außen gewandte, kur­ ze 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 ringförmi­ ges, scheibenähnliches Element und weist eine nach innen ge­ wandte, horizontale zylindrische Oberfläche 65 auf, deren lin­ ker Bereich gegen den linken Teil der Oberfläche 36 anliegt, und eine nach links gewandte, ringförmige vertikale Oberflä­ che 66, die gegen den linken Teil der Oberfläche 38 anliegt, eine nach außen gewandte, zylindrischen Oberfläche 68 sowie eine nach rechts gewandte ringförmige vertikale Oberfläche 69, die gegen den linken inneren Teil der Oberfläche 59 an­ liegt.

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 linkgs gewandte, ringförmige vertikale Oberfläche 71, die gegen den rechten innere Teil der Oberflä­ che 64 anliegt, eine nach außen gewandte horizontale zylindri­ sche Oberfläche 72 und eine nach rechts gewandte ringförmige vertikale Oberfläche 73, die gegen den rechten Teil der Ober­ fläche 45 anliegt. Der rechte Magnet 15 ist so angeordnet, daß sein nach links gewandter Südpol S dem nach rechts gerich­ teten gleichen Pol des linken Magneten 14 zugewandt ist.

Die ringförmige Spule 13 ist zwischen dem Außenteil 16, den inneren Polschuhen 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 Ele­ mentes zwischen der Spule und einer Außenoberfläche 29 des Gehäusekörpers angeordnet ist. Bei Energiezufuhr zu der Spu­ le kann somit das magnetische Feld in den Außenteil eintre­ ten und wird um die Spule und das dielektrische Element ge­ leitet.

Der Kolben 12 weist eine Stange 75 aus einem magnetisch un­ durchlässigen 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 horizonta­ len zylindrischen Abschnitt 80, der verschiebbar in der Innenoberfläche 42 des rechten Stellgliedkörperteils an­ geordnet ist. Der Anker 76 ist ein axial verdicktes schei­ benförmiges Element mit einer ringförmigen vertikalen lin­ ken Oberfläche 81, einer ringförmigen vertikalen rechten Oberfläche 82, einer nach außen gewandten horizontalen zy­ lindrischen Oberfläche 83 und einer mit einem Innengewinde versehenen, durchgehenden axialen Öffnung 84, die den Ge­ windeteil 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 Stellgliedkör­ pers angeordnet, die durch die Oberflächen 36, 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 81 des Ankers gegen die Oberfläche 35 des Stellgliedkörpers an­ liegt und einer anderen Endlage, bei der die rechte Oberflä­ che 82 des Ankers gegen die Oberfläche 43 des Stellgliedkör­ pers 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 er­ ster 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 an­ dere seine größte Breite hat.

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

So weist der erste Magnet 14 einen kurzen magnetischen Kreis L_S1 auf, durch den der Nordpol und der Südpol über den linken inneren Polschuh 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 Polschuh 21, den Anker 76, deren rechten Luftspalt 88 (falls vorhanden), den rechten Gehäuseteil 19, den äußeren Stellgliedkörperteil 11, das An­ schlußkopfstück 20 und den linken Stellgliedkörperteil 18 erstreckt. In ähnlicher Weise sind die Pole des zweiten Magne­ ten 15 über einen kurzen magnetischen Kreis L_S2 verbunden, und zwar über den inneren Polschuh 22, den rech­ ten Luftspalt 88 und den rechten Stellgliedkörperteil 19. Weiterhin weist dieser Magnet einen langen magnetischen Kreis L_L2 auf, durch den seine Pole über den rechten inneren Polschuh 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 kur­ zen magnetischen Kreis, welcher radial innerhalb der abge­ schirmten Spule liegt, und einen die Spule umgebenden langen magnetischen Kreis. Da die beiden Magnete so angeordnet sind, daß gleichnämige Pole einander zugewandt sind, sind die Kraft­ linien der Flußrichtungen einander entgegengesetzt. Somit ver­ läuft - unter der Annahme, daß der Kraftlinienfluß vom Nord­ pol zum Südpol gerichtet ist - die Flußrichtung für den kur­ zen magnetischen Kreis L_S1 des ersten Magneten im Uhrzeiger­ sinn, während die Flußrichtung des kurzen magnetischen Krei­ ses L_S2 des zweiten Magneten entgegen dem Uhrzeigersinn ge­ richtet ist. Infolge des axialen Abstandes zwischen den Ma­ gneten stören sich diese beide 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 L_S1 und L_S2 bei glei­ cher Stärke der Magneten etwa gleich groß. Wenn sich je­ doch der Anker in Richtung auf eine der Endbegrenzungswän­ de der Kammer bewegt, nimmt die Breite des eine Luftspal­ tes 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 größere Breite hat. In dieser Lage ist die Flußdichte des kurzen magnetischen Kreise L_S1 des er­ sten Magneten auf ihrem Maximum, da der erste Luftspalt 86 nicht mehr vorhanden ist, während die Flußdichte des kurzen magnetischen Kreises L_S2 des zweiten Magneten auf ihrem Mini­ mum ist, da der den magnetischen Fluß behindernde zweite Luft­ spalt 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 Krei­ ses L_S2 des zweiten Magneten auf ihrem Maximum, da der zwei­ te Luftspalt 88 nicht mehr vorhanden ist, während die Fluß­ dichte in dem kurzen magnetischen Kreis L_S1 des ersten Ma­ gneten auf ihrem Minimum ist, da der erste Luftspalt 86 sei­ ne größte Breite hat. Innerhalb dieser beiden Extremwerte der Ankerposition ändern sich die Flußdichten in den beiden kurzen magnetischen Kreisen umgekehrt zu der Breite des zu­ geordneten naheliegenden Luftspaltes. Wie bereits erwähnt, interferieren die beiden kurzen magnetischen Kreise einander nicht.

Anders sind die Verhältnisse bei den beiden lange magneti­ schen Kreisen. Die Flußrichtung des langen magnetischen Krei­ ses L_L1 des ersten Magneten ist als entgegen dem Uhrzeiger­ sinn verlaufend dargestellt, während die Flußrichtung des langen magnetischen Kreises L_L2 des zweiten Magneten als im Uhrzeigersinn verlaufend dargestellt ist. Im Gegensatz zu den beiden sich nicht störenden kurzen magnetischen Krei­ sen 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 magneti­ schen Kreise die naheliegenden Luftspalte einschließen, müs­ sen die beiden langen magnetischen Kreise durch die entfernt liegenden Luftspalte hindurchtreten. In jedem langen magneti­ schen Kreis verändert sich die Flußdichte umgekehrt zu der Breite des entfernt liegenden Luftspaltes. Wenn beispielswei­ se der Anker seine Mittellage einnimmt, derart, daß die Luft­ spalte 86 und 88 gleiche Breiten haben (Fig. 2) sind die Fluß­ dichten in den langen magnetischen Kreisen etwa gleich, wie­ derum unter der Annahme, daß die Magnete gleiche Stärke auf­ weisen. Unter dieser Voraussetzung wirken die einander ent­ gegenwirkenden langen magnetischen Kreise gegeneinander und heben sich in dem Außenteil 11 des Stellgliedkörpers gegensei­ tig 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 Fig. 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 Maxi­ malwert, während die Flußdichte des langen magnetischen Krei­ ses des ersten Magneten ihren Minimalwert hat, weil der den magnetischen Fluß behindernde zweite Luftspalt 88 seine maxi­ male Breite hat.

Wenn sich umgekehrt der Anker 76 nach rechts bewegt und ge­ gen die rechte Endwand 43 der Kammer zur Anlage kommt (Fig. 4), so ist die Flußdichte in dem langen Magnetkreis des er­ sten Magneten auf ihrem Maximum, da der zweite Luftspalt ge­ schlossen ist, während die Flußdichte in dem langen magneti­ schen Kreis des zweiten Magneten ihr Minimum hat, da der er­ 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 Si­ gnals bestimmt, während die Flußdichte von der Größe eines der­ artigen Signals abhängt. Die Magnete 14 und 15 können für den Spulenfluß nur teilweise permeabel ausgebildet sein. Der Spu­ lenfluß nimmt den Weg des geringsten Widerstandes und über­ springt, falls erforderlich, die Luftspalte 86 und/oder 88 auf seinem Weg rings um die Spule. Die Lage des Ankers rela­ tiv zu der Kammer kann selektiv mit der Größe und der Polari­ tät 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 Spu­ le keine Energie zugeführt wird, gegen jede beliebige Kammer­ endwand "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 ein­ nehmenden Flußdichte des kurzen magnetischen Kreises des zwei­ ten Magneten. Gleichzeitig dominiert die ihren Maximalwert ein­ nehmende Flußdichte des langen magnetischen Kreises des zwei­ ten Magneten gegenüber der ihren Minimalwert einnehmenden Fluß­ dichte 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 Ma­ gneten beide in Uhrzeigerrichtung verlaufen, unterstützen sich ihre jeweils den Maximalwert einnehmenden Flußdichten gegensei­ tig, dahingehend, den Anker in einer linken "verriegelten", gegen die linke Endwand 35 anliegende 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 Fluß­ dichte in dem kurzen magnetischen Kreis des zweiten Magne­ ten gegenüber der ihren Minimalwert einnehmenden Flußdichte in dem kurzen magnetischen Kreis des ersten Magneten. Die ihren Maximalwert einnehmende Flußdichte des langen magneti­ schen Kreises des ersten Magneten dominiert jedoch gegenüber der ihren Minimalwert einnehmenden Flußdichte des langen magne­ tischen Kreises des zweiten Magneten, und die Resultierende dieser beiden einander überlagernden, entgegen dem Uhrzeiger­ sinn gerichteten magnetischen Flüsse hält den Anker sicher in einer "verriegelten" Lage gegen die rechte Endwand 43 der Kam­ mer, bis der Spule ein geeignetes umgekehrtes Signal zugeführt wird. So kann der Anker in jeder Endlage in einer "Verriege­ lungsstellung" gehalten werden, wenn der Spule keine Energie zugeführt wird. Somit unterstützt und verstärkt der magneti­ sche 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 Verriegelunslage des Ankers die Spule abgeschaltet werden kann, wodurch ein ansonsten erforderlicher Energiever­ brauch reduziert wird. Das Stellglied hat somit eine kippähn­ liche (toggle-like) Arbeitsweise, wobei das Stellglied in je­ der 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 Ausführungsformen ein unstabiles, kippähnliches Verhalten aufweisen, kann das erfindungsgemäße Stellglied ohne weiteres für eine propor­ tionale Wirkungsweise modifiziert werden (beispielsweise der­ art, 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 Mit­ tellage 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 veschiede­ nen 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 Arbeitsbereiches der Lage des Ankers einen im wesentlichen 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 glei­ che Steigung M₂ aufweist. Die Neigung der Kurve 95 kann in einfacher Weise durch die Auswahl von Federn mit der gewünsch­ ten Federkraft varriert werden, oder dadurch, daß der Betrag 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 Anker 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 Ankers kann ein geeigneter Lagefühler 95, wie etwa ein Potentiometer oder ein LVDT (linearvariabler Differentialtransformator) ver­ wendet und zur Lieferung des elektrischen Analogwertes der festgestellten Position in Form eines negativen Rückführungs­ signals eingesetzt werden, wie in Fig. 7 dargestellte. In die­ sem System wird ein (die gewünschte Ankerposition reflektie­ rendes) elektrisches Steuersignal einem Summierpunkt 96 zuge­ führt, 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 be­ fohlene Position. Zu diesem Zeitpunkt ist das Fehlersignal 0. In diesem Zustand bleibt der Anker in der befohlenen La­ ge, da innerhalb des Arbeitsbereiches keine resultierende Kraft auf den Anker ausgeübt wird. Somit kann wenigstens eine Feder so ausgebildet sein, daß die Proportionalitätseigen­ schaften innerhalb des Arbeitsbereiches hat, und diese Eigen­ schaft kann durch einen die Position feststellenden Wandler (Transducer) in einer negativen Rückkopplungsschleife vergrö­ ßert werden. Obwohl somit der Anker gemäß Fig. 5 so darge­ stellt 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 un­ erheblich und können vielfach variiert werden. Die speziel­ le Lage der Magnete kann variiert werden. Während gegenwär­ tig ringförmige Magnete bevorzugt werden, braucht dies nicht unveränderlich so zu sein. In gleicher Weise kann die spe­ zielle Form der Einzelkomponenten geändert oder variiert wer­ den. Die verschiedenen Komponenten können einstückig oder ge­ teilt ausgebildet sein, je nach Wunsch. Die Gestaltung des dielektrischen Schildes, welches dazu dient, den langen magne­ tischen Kreis eines jeden Magneten von dem kurzen magnetischen Kreis desselben zu trennen, kann ebenfalls abgewandelt ausge­ bildet sein. Falls gewünscht, kann die Kolbenstange aus magne­ tisch undurchlässigem Werkstoff bestehen. Die Art der Anbrin­ gung des Eisenankers an der Stange kann ebenfalls verändert werden. Darüber hinaus können weitere Wechsel und Modifikatio­ nen vorgenommen werden. Die Erfindung sieht somit in breite­ ster 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 Anwendungsmög­ lichkeiten sind weit gefächert und vielfältig.

Claims (3)

1. Elektromechanisches Stellglied mit einem magnetisch perme­ ablen Stellgliedkörper und einer darin befindlichen Kammer mit zwei die Kammer begrenzenden Endwänden und einem in der Kammer zur Einnahme verschiedener Positionen bewegbaren Anker, wobei die beiden Endwände die jeweilige Extremposition des Ankers begrenzen, und mit einer der Anker umgebenden, im Stellgliedkörper angeordneten Spule und mit Magneteinrichtungen zur magnetischen Beeinflussung der Position des Ankers, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneteinrichtungen als im Bereich der Endwände (35, 43) angeordnete Perma­ nentmagneten (14, 15) ausgebildet sind, deren einander zugewandte Seiten gleiche Polaritäten aufweisen, und daß zwischen den Magneten zum Anker eng beabstandete, ein oder mehrere innere Polschuhe (21, 22) angeordnet sind, und daß die einander abgewandten Polseiten der Permanentmagnete (14, 15) durch äußere Polschuhe (18, 20, 26, 19) miteinander magnetisch leitend verbunden sind, so daß von jedem Permanentmagneten ausgehend sich ein innerer und ein äußerer Magnetkreis ausbildet, wobei der innere Magnetkreis über den dem Permanentmagne­ ten zugeordneten Luftspalt läuft und der äußere Magnet­ kreis sich über den dem anderen Permanentmagneten zugeordneten Luftspalt schließt, so daß sich der innere Magnetkreis des einen Magneten mit dem äußeren Magnet­ kreis des anderen Magneten in den Luftspalten verstärkend überlagern.

2. Elektromechanisches Stellglied nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stellgliedkörper (11) und dem Anker (76) wenigstens eine zwischen diesen Elementen wirksame Feder zwecks Entgegenwirkung und Ausgleich der auf den Anker in einem Arbeitsbereich der Bewegung in Richtung auf eine Verriegelungslage einwirkenden magnetischen Kräfte angeordnet ist.

3. Elektromechanisches Stellglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Federn (91, 93) zur Vorspannung des Ankers (76) in einer Mittellage relativ zu dem Stellgliedkörper vorgesehen sind, und daß 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.