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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung
eines beweglichen Elements in mindestens einem Hauptluftspalt eines elektromagnetischen
Aktuators, umfassend eine statorische Struktur in Form von einem
Magnetkreis, hergestellt aus einem Material mit hoher magnetischen
Durchlässigkeit
und umfassend mindestens eine elektrische Spule, wobei der Hauptluftspalt
einem Magnetfeld unterworfen sei, das sich von mindestens einem
Magneten ergibt, der, je nach dem Fall, fest oder dem beweglichen
Element zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft noch die polarisierten
elektromagnetischen Aktuatoren, die die Anwendung des Verfahrens
nach der Erfindung erlauben.
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Die
vorliegende Erfindung wird ihre Anwendung im Bereich der sowohl
rotierenden als auch linearen Aktuatoren mit beweglichem Dauermagneten,
mit beweglicher Spule und/oder mit veränderlicher Reluktanz finden.
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Schlußendlich
ist die vorliegende Erfindung auf die Gesamtheit der elektromagnetischen
Aktuatoren anwendbar, deren Bewegung des beweglichen Teiles im Magnetkreis
eine Veränderung
des Flusses in diesem letzteren verursacht.
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Deshalb
beschreiben die EP-0.848.481 und EP-0.558.362 Beispiele rotierender
Aktuatoren, während
die US-4.195.277, US-4.779.582 und WO-94/27303 Beispiele linearer
Aktuatoren darstellen, geeignet, von der vorliegenden Erfindung
betroffen zu werden.
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Insbesondere
sei bemerkt, daß in
den meisten Anwendungen solche elektromagnetische Aktuatoren geeignet
vorgesehen sind, um durch ihr bewegliches Organ direkt auf die zu
steuernde Last zu wirken, das heißt ohne Eingriff durch jegliche
mechanische Übertragung,
wie ein Getriebe, ein Multiplikator, ein Differential oder dergleichen.
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Deshalb
sind solche Aktuatoren in der Lage, ein für die Position der besagten
Last repräsentatives Bild
dank einer Steuerung der Position, also einer angemessenen Steuerelektronik,
und einem Sensor für die
Position des beweglichen Organs, zu geben.
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Dieser
Sensor ist meistens potentiometrischer, magnetischer oder optischer
Art und ist am Rücken
des Aktuators montiert oder mit der Last verbunden.
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Es
ist selbstverständlich,
daß ein
solcher Positionssensor einen zusätzlichen Umfang in dem Bereich
des Aktuators schafft, während
sein elektrischer Anschluß und
jener des Aktuators mit der elektronischen Karte der Steuerung sich
als ziemlich kompliziert erweisen.
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Schlußendlich
hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, das oben erwähnte Problem
durch ein Verfahren für
die Bestimmung der Position eines beweglichen Organs in einem Hauptluftspalt
eines polarisierten elektromagnetischen Aktuators zu lösen, der die
Anwendung besonders einfacher Meßmittel erfordert, sowohl unter
dem Gesichtspunkt ihres Konzepts als auch der Interpretation des
Signals, das sie veranlaßt
sind, auszusenden. Außerdem,
weisen diese Meßmittel
die Besonderheit auf, keinen zusätzlichen
Umfang im Bereich dieses Aktuators zu schaffen, da sie direkt in
diesem letzteren integriert werden.
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Deshalb
betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Positionsbestimmung eines
beweglichen Organs in mindestens einem Hauptluftspalt eines polarisierten
elektromagnetischen Aktuators, umfassend eine statorische Struktur
in Form von einem Magnetkreis, hergestellt aus einem Material mit
hoher magnetischen Durchlässigkeit,
und umfassend mindestens eine elektrische Spule, wobei der Hauptluftspalt einem
Magnetfeld unterworfen sei, das sich von mindestens einem Magneten
ergibt, der, je nach dem Fall, fest oder dem beweglichen Organ zugeordnet ist,
wobei dieses Verfahren darin besteht, daß:
- – im Bereich
des Magnetkreises der statorischen Struktur mindestens ein sekundärer Meßluftspalt gebildet
wird;
- – in
diesem sekundären
Luftspalt mindestens ein magnetisch empfindliches Element wie eine
Sonde mit Halleffekt, eine magnetisch empfindliche Sonde oder dergleichen
angebracht wird, geeignet vorgesehen, um ein für die gesamte es durchfließende magnetische
Induktion repräsentatives elektrisches
Signal zu senden, berücksichtigend eine
bekannte Funktion abhängig
• von dem
Strom in der oder in den elektrischen Spulen;
• und von
der Position des beweglichen Organs im Hauptluftspalt;
- – der
die elektrische Spule oder Spulen durchfließende Strom gemessen wird,
um, ausgehend von der bekannten Funktion und von der gesamten magnetischen
Induktion im sekundären
Luftspalt, die mit Hilfe des durch das magnetisch empfindliche Element
gesendete Signal gemessen wurde, die besagte Position des beweglichen
Organs im Hauptluftspalt zu erschließen.
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Die
Erfindung betrifft noch einen polarisierten elektromagnetischen
Aktuator, umfassend, einerseits, ein bewegliches Organ in mindestens
einem Hauptluftspalt, der einem Magnetfeld unterworfen ist, das
sich von mindestens einem Magneten ergibt, der, je nach dem Fall,
fest oder dem besagten beweglichen Organs zugeordnet ist, und, andererseits,
eine statorische Struktur in Form von einem Magnetkreis, hergestellt
aus einem Material mit hoher magnetischen Durchlässigkeit, und umfassend mindestens eine
elektrische Spule, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens ein magnetisch
empfindliches Element wie eine Sonde mit Halleffekt umfaßt, geeignet vorgesehen,
um ein, für
die gesamte es durchfließende
magnetische Induktion repräsentatives
elektrisches Signal zu senden, das sich in einem sekundären Meßluftspalt
befindet, der im Bereich des Magnetkreises der statorischen Struktur
gebildet ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser verstanden bei dem Lesen der folgenden
Beschreibung und der sich auf Ausführungsbeispiele beziehenden und
im Anhang beigefügten
Zeichnungen. Es zeigen
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1,
eine graphische und schematisierte Darstellung des Verlaufs der
Gesamtinduktion B (α), die
das magnetisch empfindliche Element durchfließt, das in einen sekundären Luftspalt
eines elektromagnetischen Aktuators mit beweglichem Magneten wie
jener gesetzt ist, der in 3 dargestellt
ist, wobei diese Größe die Summe
der Induktion, die durch den Kreislauf des Stromes in der elektrischen Spule
geschaffen ist, und der Induktion Bni (α), die durch die Bewegung des
beweglichen Organs erzeugt ist, sei, und zwar in Abhängigkeit
von der Winkelposition von diesem letzteren;
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2,
eine graphische Darstellung, die 1 ähnlich ist,
veranschaulichend den Verlauf der Gesamtinduktion B (α) im sekundären Meßluftspalt hinsichtlich
der Position α des
beweglichen Organs, und zwar für
verschiedene Werte des elektrischen Stromes in der Spule;
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3,
eine schematisierte Darstellung eines Beispiels für die Ausführung eines
rotierenden elektromagnetischen Aktuators mit beweglichem Magneten,
erlaubend der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung für die Bestimmung
der Position seines beweglichen Organs in seinem Hauptluftspalt;
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4 und 5,
schematisch, Ausführungsbeispiele
eines sekundären
Luftspalts in der statorischen Struktur eines rotierenden elektromagnetischen
Aktuators, wie in 3 dargestellt;
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6,
eine Darstellung, schematisiert und in Querschnitt, einer weiteren
Ausführungsart
eines rotierenden elektromagnetischen Aktuators, dessen statorische
Struktur aus zwei Teilen einen sekundären Luftspalt umfaßt, in dem
ein magnetisch empfindliches Element für die Anwendung des Verfahrens nach
der Erfindung befindlich ist;
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7A,
eine weitere Ausführungsart
eines elektromagnetischen Aktuators nach der Erfindung;
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7B,
eine Darstellung, schematisiert und in Perspektive, dieses in 7A veranschaulichten Aktuators,
wobei einer der polaren Teile zurückgezogen ist, um den sekundären Luftspalt
und die magnetisch empfindliche Sonde sichtbar zu machen;
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8, 9, 10,
schematisiert, drei Ausführungsarten
linearer Aktuatoren, aufweisend im Bereich ihrer statorischen Struktur
einen sekundären
Luftspalt, geeignet, um ein magnetisch empfindliches Element für die Bestimmung
der Position ihres beweglichen Organs aufzunehmen;
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11 und 12,
schematisiert, zwei Ausführungsarten
linearer Aktuatoren, deren bewegliches Organ durch eine Spule gebildet
ist;
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13 und 14,
zwei Ausführungsarten elektromagnetischer
Aktuatoren, deren bewegliches Organ durch ein ferromagnetischer
Teil gebildet ist, der mit einer Welle verbunden ist, geeignet,
um die Kräfte
der zu steuernden Last zu übertragen.
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15,
eine schematisierte Darstellung eines polarisierten Aktuators mit
einer beweglichen Palette, umfassend zwei statorische Strukturen,
die beiderseits einer Symmetrieebene angebracht sind, wobei zwischen
diesen Strukturen sich das bewegliche Organ in Form einer Palette
verschiebt;
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16,
schematisiert, die Verteilung der magnetischen Flüsse in einem
bistabilen Aktuator, wie in 13 und 14 gezeigt
ist, und zwar bei Mangel von Strom in der Spule oder Spulen und
mit dem beweglichen Organ in einer hinsichtlich der Hauptluftspalte
mittiger Position;
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17,
eine graphische Darstellung, für
einen bistabilen Aktuator, wie in 13, 14 und 15 dargestellt,
des Verlaufs, in Abhängigkeit
von der Position des beweglichen Organs, der auf den Strom zurückzuführenden
Induktion, und der Induktionen, die in den sekundären Luftspalten
gemessen wurden, woher die Induktion, die ausschließlich von dieser
Position des beweglichen Organs abhängt, und, also, die Position
desselben erschlossen werden kann.
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Wie
in 3 bis 14 dargestellt, bezieht sich
die vorliegende Erfindung auf das Gebiet der elektromagnetischen
Aktuatoren 1, umfassend, einerseits, ein bewegliches Organ 2 in
mindestens einem Hauptluftspalt 3, 3A und, andererseits,
eine statorische Struktur 4 in Form von einem Magnetkreis 5, hergestellt
aus einem Material mit hoher magnetischen Durchlässigkeit, und umfassend mindestens eine
Spule.
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Es
sei insbesondere bemerkt, wie genauer in diesen 3 bis 14 erkennbar
ist, daß die
vorliegende Erfindung die elektromagnetischen Aktuatoren sowohl
rotierenden als auch linearen Typs betrifft. In der Tat wird sie
ihre Anwendung in jedem Typ polarisierten elektromagnetischen Aktuators
finden, dessen Bewegung eines beweglichen Organs in einem Magnetkreis
eine Veränderung
des Flusses in diesem letzteren erzeugt.
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Die
Erfindung betrifft ganz besonders ein Verfahren für die Bestimmung
der Position, die das bewegliche Organ 2 dieser elektromagnetischen
Aktuatoren 1 in mindestens einem Hauptluftspalt 3, 3A zu
einem bestimmten Zeitpunkt nimmt.
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Insbesondere
besteht dieser Verfahren darin, im Bereich des Magnetkreises 5 der
statorischen Struktur 4 mindestens einen sekundären Meßluftspalt 7, 7A zu
definieren. In diesem sekundären Luftspalt 7, 7A wird
dann ein magnetisch empfindliches Element 8, insbesondere
eine Sonde mit Halleffekt oder eine magnetisch empfindliche Sonde,
angebracht, geeignet, um ein für
die gesamte es durchfließende
magnetische Induktion repräsentatives
elektrisches Signal zu senden.
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Wenn
man den besonderen Fall eines elektromagnetischen polarisierten
Aktuators mit beweglichem Magneten, insbesondere rotierender Art,
wie jener, der in 3 dargestellt ist, nimmt, ist
die gesamte magnetische Induktion B (α) im sekundären Meßluftspalt 7 eine
Größe, die
sich mit der Winkelposition α vom beweglichen
Organ 2 verändert
und der Summe der Induktion entspricht, die auf den Magneten des
beweglichen Organs Bm (α)
zurückzuführen ist,
und jener Bni (α),
die auf den in der Spule 6 der statorischen Struktur 4 durchfließenden Strom
zurückzuführen ist.
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1 entspricht
einer graphischen Darstellung des Verlaufs, in der Ordinate, der
Induktionen B (α),
Bm (α) und
Bni (α)
in Abhängigkeit
von der Winkelposition α des
Rotors, dargestellt in der Abszisse, und zwar im Rahmen des Beispiels
des in 3 dargestellten Aktuators. In diesem besonderen
Fall ist Bni (α)
eine von der Position α des
besagten Rotors im wesentlichen unabhängige Größe, derart, daß sie mit
einer Konstante verglichen werden kann.
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Indem
der Strom in der besagten Spule 6 der statorischen Struktur 4 gemessen
wird, kann davon die auf diesen Strom zurückzuführende Induktion Bni (α) erschlossen
werden, es reicht dann aus, sie von der Gesamtinduktion B (α), die im
Bereich der magnetisch empfindlichen Sonde 9 gemessen wurde,
abzuziehen, um die Größe Bm (α) zu erhalten.
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Die
so erhaltene Größe Bm (α) entspricht
der Induktion, die durch den Magneten des Rotors erzeugt wurde,
berücksichtigend
eine bekannte Funktion hinsichtlich der Winkelposition dieses letzteren. Es
ist dann einfach, daraus diese Position zu erschließen.
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Es
sei beachtet, daß die
Sättigung
des magnetischen Kreises, erscheinend für die Werte hohen Stromes,
eine Nichtlinearität
der Funktion B (α)
verursacht. Dies führt
zu einem Positionsfehler für
die hohen Ströme
in der Spule. Allerdings ist diese Situation für die Steuerung der Position
nicht störend.
In der Tat, wenn die Abweichung zwischen der Position, die man dem
beweglichen Organ des Aktuators zu übermitteln versucht, und der
tatsächlich
bezogenen Position bedeutend ist, ist der durch die Steuerung hervorgerufene
Strom bedeutend, während,
im Gegenteil, er kleiner wird, wenn dieses bewegliche Organ mit
der erwünschten
Position konvergiert.
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2 stellt
in graphischer Form eine gewisse Beständigkeit des durch das Verfahren
nach der Erfindung angewendeten Grundsatzes dar.
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Somit
ist in dieser Graphik der Verlauf der Gesamtinduktion veranschaulicht,
die die magnetisch empfindliche Sonde des in 3 dargestellten Aktuators
in Abhängigkeit
von der Position α des
beweglichen Organs 2 durchfließt, und zwar für verschiedene
Werte des elektrischen Stromes in der Spule.
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Die
Fortsetzung der Beschreibung bezieht sich auf Ausführungsbeispiele
elektromagnetischer Aktuatoren, erlaubend die Anwendung des Verfahrens
nach der Erfindung.
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Deshalb
veranschaulicht die 3 einen polarisierten elektromagnetischen
Aktuator 1 rotierender Art, dessen statorische Struktur 4 hufeisenförmig ist,
die von einer Spule 6 umgeben ist und zwei Schenkel 9, 10 bildet,
deren Enden 11, 12 die statorischen Pole 13, 14 bilden.
Diese grenzen einen halbzylindrischen Raum ab, in dem sich das bewegliche Organ 2 in
Form von einem Rotor befindet, der durch ein zylindrisches Stück aus weichem
Eisen 16 gebildet ist, umfassend auf dem Umkreis einen
Sektor 17 der Dicke L, radial magnetisiert nach der Richtung der
Magnetisierung. Die statorischen Pole 13, 14 und das
zylindrische Stück
aus weichem Eisen 16, bildend den Rotor, bestimmen untereinander
den Hauptluftspalt 3 mit der radialen Länge E.
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In
dieser 3 ist noch im Bereich der statorischen Struktur 4 der
sekundäre
Luftspalt 7 veranschaulicht, der, wie in den Ausführungsbeispielen von 4 und 5 erkennbar
ist, verschiedene Ausführungsformen
annehmen kann. In diesem sekundären
Luftspalt 7 befindet sich das magnetisch empfindliche Element 8,
insbesondere eine Sonde mit Halleffekt oder eine magnetisch empfindliche Sonde.
So weit ein gerader sekundärer,
also konstanter und an die Dicke der Sonde angepaßter Luftspalt
einen Rückgang
des auf den Strom des elektromagnetischen Aktuators zurückzuführenden Momentes,
sowie die Schaffung eines Momentes magnetostatischer Wiederholung
in mittiger Position des beweglichen Organs 2 bewirken
kann, wenn die Spule 6 nicht gespeist ist, ist dies Grund,
die Wirkungen davon zu begrenzen.
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Deshalb
wird nach einer bevorzugten Ausführungsart
ein sekundärer
Luftspalt 7 ausgeführt, dessen
Durchlässigkeit
durch eine lokale Verengung beiderseits des magnetisch empfindlichen
Elements 8 erhöht
ist.
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Die
Gesamtinduktion in der Sonde ist durch das weiter oben erwähnte Verhältnis gegeben,
nämlich B (α)
= Bm (α)
+ Bni (α) wo
die Induktion, die auf die Position des beweglichen Organs 2 zurückzuführen ist,
im Fall eines rotierenden polarisierten elektromagnetischen Aktuators, wie
in 3 dargestellt, ein Verhältnis berücksichtigt der Art: Bm (α)
= γ, αwobei γ eine Konstante
sei, die von den geometrischen Größen des Aktuators und von den
physischen Eigenschaften der benutzten Materialien abhängt. Sie
kann ungefähr
durch eine theoretische Annäherung
oder präzis
durch eine einfache Messung ermittelt werden.
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6 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines polarisierten elektromagnetischen Aktuators der Art rotierend
mit einer Struktur, die im wesentlichen mit jener identisch ist,
die weiter oben beschrieben und in 3 dargestellt
ist. Das bewegliche Organ 2 ist jedoch hier durch einen
magnetisierten Sektor 19 in Form von einer halbzylindrischen
Ziegel gebildet, geeignet vorgesehen, um sich in dem halbringförmigen Hauptluftspalt 3 zu
bewegen, der durch die zwei ferromagnetische Teile 20, 21 der
statorischen Struktur 4 abgegrenzt ist. Der sekundäre Luftspalt 7 ist
im Bereich des festen, zylinderförmigen
ferromagnetischen Teiles 21 gebildet, der sich zwischen
den statorischen Polen 13, 14 befindet, die die
Enden 11, 12 der Schenkel 9, 10 des
anderen festen ferromagnetischen Teiles mit hufeisenförmiger Konstruktion
bilden.
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Insbesondere
liegt dieser sekundäre Luftspalt 7 vorzugsweise
in der Mittelebene 22, die zwischen den besagten statorischen
Polen 13, 14 übergeht,
und erstreckt sich somit nach einem inneren Durchmesser am magnetisierten
Abschnitt in der Gestalt von einer Ziegel 19. Im Bereich
dieses sekundären
Luftspalts 7 befindet sich das magnetisch empfindliche
Element 8.
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Die 7A und 7B veranschaulichen eine
weitere Ausführungsart
von einem polarisierten elektromagnetischen Aktuator, erlaubend
die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung, wobei ein solcher
Aktuator, der übrigens
in der Schrift EP-0 642.704 beschrieben ist, ein bewegliches Organ 2 umfaßt, das
mit einem dünnen,
scheibenförmigen Magneten 30 versehen
ist, der nach Richtung der Dicke magnetisiert ist, aufweisend zwei
Sektoren, die mit einer Polarität
magnetisiert sind, die abwechselnd und an einem rotorischen Kreis 31 gebunden
ist, der mit einer Kupplungsachse 32 verbunden ist, die
eine statorische Struktur 4 durchgeht. Diese umfaßt zwei Paare
von Polen 33, 33', 34, 34', jeweils umgeben von
einer Spule 35, 35', 36, 36', abgrenzend
einen zentralen Kanal für
den Übergang
der Kupplungsachse 32. Diese polaren Teile 33, 33', 34, 34' erstrecken
sich ab einer Sohle 37, wissend, daß zwischen dieser Sohle 37 der
statorischen Struktur 4 am Fuß von mindestens einem dieser
polaren Teile 33, 33', 34, 34' ein sekundärer Luftspalt 7 für das Einsetzen der
magnetisch empfindlichen Sonde 8 gebildet werden kann.
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Eines
der wichtigen Merkmale eines rotierenden polarisierten elektromagnetischen
Aktuators ist das Moment, das dieser Aktuator liefern kann. Im allgemeinen
sei danach gestrebt, daß dieses
Moment das möglichst
höchste
für eine
bestimmte elektrische, auf die Ränder
des Aktuators angewendete Kraft sei, und daß es, für bestimmte Anwendungen, auf
dem ganzen Lauf des beweglichen Organs 2 konstant sei.
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Nun,
die Tatsache, einen sekundären
Meßluftspalt 7 in
seiner statorischen Struktur 4 hinzuzufügen, hat zur Folge, den Magnetkreis
zu ändern
und deshalb das durch den Aktuator gelieferte Moment zu stören, indem
das nützliche
Moment vermindert wird, und zwar hinsichtlich des Entspannungsmomentes oder
des Momentes der magnetostatischen Wiederholung in mittiger Position
des beweglichen Organs 2, auf das bereits weiter oben verwiesen
worden ist. Außerdem,
wie ebenfalls zuvor angegeben wurde, stellt ein solcher sekundärer Luftspalt 7 das
Problem mit der Sättigung
des Magnetkreises 5 für
hohe Stromwerte.
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Durch
die Konstruktion eines Aktuators, wie in den 7A und 7B dargestellt
ist, umfassend nur einen sekundären
Luftspalt 7, der sich unter dem Fuß von nur einem einzigen polarem
Teil (hier als 34 bezeichnet) erstreckt, können die
oben erwähnten Probleme
beseitigt werden. Insbesondere durchfließt der magnetische Fluß unter
diesen Bedingungen das magnetisch empfindliche Element 8,
bleibend proportional zur Position des beweglichen Organs 2 im Hauptluftspalt 3,
so daß davon
diese Position dieses beweglichen Organs 2 für eine bestimmte
Stromspeisung der Spulen 35, 35', 36, 36' erschlossen
werden kann. Außerdem,
wenn für
einen Aktuator der Art entsprechend der 3 und habend
nur einen Magnetkreis, der durch die beiden statorischen Pole 13 und 14 und
den Rotor mit seinem magnetisierten Sektor 17 gebildet
ist, das Vorhandensein eines sekundären Luftspaltes 7 eine
spürbare
Senkung des nützlichen Momentes
verursacht, die von der Größenordnung von
30% bis 50% sein kann, verglichen mit dem gleichen Aktuator ohne
sekundären
Luftspalt, beträgt diese
Senkung im Fall eines solchen Aktuators, der oben definiert und
in 7A und 7B sichtbar
ist, nur 10% bis 20%.
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Übrigens
ist das sogenannte Entspannungsmoment der (oder magnetostatische
Rückstellmoment)
beträchtlich
vermindert. Deshalb hat sich die Beziehung zwischen dem nützlichen
Moment und diesem Entspannungsmoment bei dieser letzten Ausführungsart
entsprechend dem Aktuator in 7A und 7B als
sehr viel höher
erwiesen, in Vergleich zu einer Lösung eines Aktuators wie in 3 erkennbar,
und zwar selbstverständlich
unter denselben Betriebsbedingungen.
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In
den 8, 9 und 10 sind
elektromagnetische Aktuatoren linearen Typs veranschaulicht, die
zum Ziel haben, die Möglichkeit,
die Verfahren nach der Erfindung ebenfalls auf diesen Aktuatortyp
anzuwenden, anschaulich zu machen.
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Insbesondere
veranschaulicht 8 einen polarisierten elektromagnetischen
Aktuator 1, umfassend ein bewegliches Organ 2 und
eine statorische Struktur 4, wobei diese durch ein Stück aus ferromagnetischem
Material 40 gebildet sei, umfassend zwei Schenkel 41, 42,
deren Enden die statorische Pole 43, 44 bilden,
wobei diese Schenkel 41, 42 von elektrischen Spulen 45, 46 umgeben
sind.
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Das
bewegliche Organ 2 ist durch einen trapezförmigen Zylinderkopf 47 gebildet,
der aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist.
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Dieser
Zylinderkopf 47 umfaßt
einen magnetisierten Sektor 48, berücksichtigend hinsichtlich der Oberfläche 49 der
statorischen Pole 43, 44 ein bestimmtes funktionelles
Spiel.
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In
diesem Fall kann ein sekundärer
Luftspalt 7 im Bereich des ferromagnetischen Stückes 40 der statorischen
Struktur 4 gebildet sein, vorzugsweise in Höhe des Verbindungsstückes 50,
welches die Schenkel 41, 42 verbindet.
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Die
in 9 dargestellte Ausführungsart entspricht einem
polarisierten elektromagnetischen Aktuator linearer Art mit ähnlicher
Struktur wie derjenige, der in der 8 veranschaulicht
ist, wobei das bewegliche Organ 2 nur durch den magnetisierten Sektor 48 gebildet
sei. Dieser ist beweglich im Innern des Hauptluftspaltes 3 montiert,
trennend zwei feste ferromagnetische Teile, von denen der eine dem
ferromagnetischen Stück 40 mit "U"-förmiger
Gesamtstruktur entspricht, während
der andere durch einen festen Zylinderkopf 51 gebildet
ist, der sich über
den Oberflächen 49 der
statorischen Pole 43, 44 erstreckt, um den Hauptluftspalt 3 abzugrenzen,
in dem sich der besagte magnetisierte Sektor 48 bewegt. Der
besagte feste Zylinderkopf 51 aus ferromagnetischem Material
ist hier in zwei Teilen 53, 54 nach einer Mittelebene 55 unterteilt,
die zwischen den besagten statorischen Polen 43, 44 führt, derart,
um einen sekundären
Luftspalt 7 zu bilden, der das magnetisch empfindliche
Element 8 aufnimmt.
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10 stellt
die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung in einem linearen
polarisierten elektromagnetischen Aktuator zylindrischer Art wie derjenige,
der in der FR-2.682.542 beschrieben ist, dar. Dieser Aktuator umfaßt ein Außengehäuse 60 mit
zylindrischer Form, die der statorischen Struktur 4 entspricht.
Innerlich, in der schrägen
Mittelebene, umfaßt
dieses Gehäuse 60 einen
ringförmigen
Teil 61, der einen zentralen statorischen Pol 62 bildet.
Außerdem
ist es an seinen Enden durch Seitenbacken 63, 64 wieder
geschlossen, von wo aus sich die Seitenpolen 65, 66 erstrecken,
abgrenzend, hinsichtlich der inneren Wand des Gehäuses 60,
einen ringförmigen
Raum, wo sich die elektrischen Spulen 67, 68 befinden.
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Was
das bewegliche Organ 2 betrifft, ist dies als ein axial
bewegliches zylindrisches Stück
in der statorischen Struktur 4 ausgestaltet, und umfaßt auf dem
Umkreis zwei radial magnetisierte Sektoren 69, 70,
die sich im wesentlichen in Höhe
der schrägen Mittelebene
dieses beweglichen Organs 2 wieder verbinden, also rechts
des zentralen statorischen Pols 62. Zwischen den Seitenbacken 63, 64 und
diesem beweglichen Organ 2 sind Federn 71, 72 eingefügt.
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In
einem solchen Konzept ist der sekundäre Luftspalt 7 vorteilhaft
zwischen dem ringförmigen
Teil 61, der dem zentralen statorischen Pol 62 entspricht, und
dem besagten Außengehäuse 60 gebildet,
wobei der sekundäre
Luftspalt 7 das magnetisch empfindliche Element 8 aufnimmt.
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Deshalb
ist im Bereich dieses magnetisch empfindlichen Elements eine Gesamtinduktion
gemessen, die eine bekannte Funktion ist, abhängig von dem elektrischen Strom,
der die Spulen 67, 68 durchfließt, und
von der Position des beweglichen Organs 2.
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Wie
schon oben präzisiert
wurde, betrifft das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ebenfalls die
Aktuatoren mit beweglicher Spule.
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Deshalb
ist in 11 ein Ausführungsbeispiel dieses Aktuatortyps
mit beweglicher Spule dargestellt.
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Er
umfaßt
eine statorische Struktur 4 in Form von einem ferromagnetischen
Stück 80,
abgrenzend innerlich einen Hauptluftspalt 3. Dieser ist
als eine Spalte ausgestaltet, in welcher sich, anliegend und nach
einer unbeweglichen Art und Weise, zwei dünne Dauermagneten 81, 82 mit
abwechselnder Polarität
angebracht sind, derart, um geeignet zu sein, im Bereich dieses
Hauptluftspalts 3 ein Magnetfeld zu erzeugen, aufnehmend
außerdem
eine Spule 83, die das bewegliche Organ 2 bildet.
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Die
statorische Struktur 4 umfaßt, auch hier, mindestens einen
sekundären
Meßluftspalt 7,
geeignet, um ein magnetisch empfindliches Element 9 aufzunehmen.
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Es
sei beachtet, daß,
wie vorher erwähnt,
ein solcher sekundärer
Meßluftspalt 7 verschiedene Ausführungsformen
annehmen kann, und insbesondere verwirklicht werden kann, derart,
um eine bedeutende Durchlässigkeit
durch Verengungen beiderseits des magnetisch empfindlichen Elements 8 zu
erhalten.
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Schlußendlich,
indem gleichzeitig der in der Spule 83 durchfließende Strom
und die Gesamtinduktion in einem solchen sekundären Meßluftspalt 7 gemessen
wird, ist es auch hier möglich,
davon die Position des beweglichen Organs 2, das heißt der besagten
Spule 63, zu ermitteln.
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Es
sei jedoch bemerkt, daß im
Gegensatz zu einem Aktuator, umfassend als bewegliches Organ einen
Magneten, wie oben beschrieben, im Falle von Aktuatoren mit beweglicher
Spule, die Induktion B α, die
durch die Dauermagneten 81, 82 geschaffen ist, in
einem sekundären
Meßluftspalt 7 konstant
ist. Im Gegenteil erzeugt die bewegliche Spule im Bereich dieses
sekundären
Luftspalts 7 eine Induktion, die, gleichzeitig, von der
Position dieser Spule 83 und von dem Wert des Stromes,
der sie durchfließt,
abhängig ist.
Folglich ist diese Induktion, die durch das bewegliche Organ 2 verursacht
wurde, hier der Art Bni (x, i), wobei x der Position von Spule 83 entspricht,
und i den Strom darstellt, der diese durchfließt.
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Mit
anderen Worten gibt das Signal, das durch das magnetisch empfindliche
Element 8 übermittelt
ist, ein Bild der Gesamtinduktion B (x, ni) wieder, wissend, daß B (x,
ni) = Ba + Bni (x, ni).
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Deshalb,
indem von der gemessenen Gesamtinduktion B (x, ni) die konstante
Induktion Bα abgezogen
wird, die sich in diesem sekundären
Meßluftspalt 7 durch
die Dauermagneten 81, 82 ergibt, wird der Wert
dieser Induktion Bni (x, ni) erhalten, und zwar für einen
Strom i, der die Spule 83 durchfließt, und davon kann die Position
dieser letzteren im Hauptluftspalt 3 erschlossen werden,
so weit diese Induktion Bni (x, ni) eine bekannte Funktion dieser Position
berücksichtigt.
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Wie
das aus den vorgehenden Erklärungen hervorgeht,
ist der für
solche Aktuator mit beweglicher Spule in die Praxis umgesetzte Grundsatz
jenem ganz ähnlich,
der für
die Aktuator mit beweglichen Magneten angewendet ist.
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In 12 ist
die Ausführungsart
eines Aktuators veranschaulicht, dessen bewegliche Organ 2 hier
noch durch eine Spule 90 gebildet ist. Allerdings bildet
die statorische Struktur 4 in Form von einem ferromagnetischen
Stück nicht
einen, sondern zwei Hauptluftspalte 3, 3A, in
jedem von denen ein dünner Dauermagnet 91, 92 angebracht
ist, der in Richtung der Dicke magnetisiert ist. Das erzeugt ein
Magnetfeld, das auf die Spule 90 wie ein bewegliches Organ 2 angewendet
ist, sich erstreckend durch diese Hauptluftspalte 3, 3A,
sich aufwickelnd um den ferromagnetischen Teil 93, der
durch diese Letzten abgegrenzt ist. Im Rahmen dieser Ausführungsart
sind vorzugsweise im Bereich der statorischen Struktur 4 zwei
sekundäre
Meßluftspalte 7, 7A gebildet,
wissend, daß im
Bereich von mindestens einem von ihnen ein magnetisch empfindliches
Element 8 gesetzt ist.
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Es
sei in diesem Zusammenhang festzustellen, daß aus Gründen der Einfachheit der Interpretation
der Messungen, also zur Vereinfachung der elektronischen Behandlung
dieser Letzten, es nützlich sein
kann, in jedem dieser sekundären
Luftspalte 7, 7A ein magnetisch empfindliches
Element 8, 8A zu setzen.
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Die 13 bis 15 entsprechen
Beispielen bistabiler elektromagnetischer polarisierter Aktuatoren.
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Der
Aktuator von 13 umfaßt eine statorische Struktur 4,
die durch ein zylinderförmiges
Außengehäuse 100 gebildet
ist, aufweisend in der Dicke seiner Wand einen ringförmigen Raum 101 zum
Aufnehmen einer elektrischen Spule 102. Dieses Gehäuse 100 grenzt
noch eine zylindrische Aushöhlung 103 ab,
die durch einen ringförmigen,
dünnen,
radial magnetisierten Magneten 104 verkleidet ist. Innerlich in
dieser zylindrischen Aushöhlung 103 ist
ein bewegliches Element in Form von einem ferromagnetischen Stück 105 untergebracht,
das mit einer Übertragungswelle 106 verbunden
ist, die sich durch die seitlichen Endbacken 107, 108 erstreckt,
das Gehäuse 100 beiderseits
wieder verschließend.
Zwischen diesen Seitenbacken 107, 108 und dem
besagten beweglichen ferromagnetischen Stück 105 sind Federn 109, 110 gesetzt.
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Deshalb
ergibt sich daraus nach der Richtung des die Spule 102 durchfließenden Stromes
ein Magnetfeld im beweglichen ferromagnetischen Stück 105,
sich wieder wickelnd im Bereich der festen statorischen Struktur
A durch den einen der Hauptluftspalte 3, 3A, die
durch die Seitenbacken 107, 109 und die Enden
des besagten beweglichen ferromagnetischen Stückes 105 abgegrenzt
sind.
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Das
Konzept, wie in dieser 13 dargestellt, sieht im Bereich
der festen statorischen Struktur 4 mindestens einen, vorzugsweise
zwei sekundäre
Luftspalte 7, 7A für die Aufnahme eines magnetisch
empfindlichen Elements 8, 8A vor, wissend, daß mindestens
ein sekundärer
Luftspalt, in dessen Bereich die Induktion gemessen wird, für die Anwendung
des Verfahrens nach der Erfindung ausreichend ist.
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14 stellt
eine Ausführungsart
eines Aktuators dar, dessen bewegliches Organ 2 auch hier durch
ein ferromagnetisches Stück
gebildet ist und ein Konzept wiederaufnimmt, das im wesentlichen dem
in 13 veranschaulichten Aktuator ähnlich ist.
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Allerdings,
genau in diesem Fall umfaßt
das zylindrische Gehäuse 100 innerlich
und in seinem Mittelteil den radial magnetisierten ringförmigen Magneten 104.
Dieser ist beiderseits nach der axialen Richtung des Aktuators 1 durch
eine elektrische Spule 112, 113 eingerahmt. Schließlich verfügt man auch hier über zwei
veränderliche
Hauptluftspalte 3, 3A, während im Bereich der festen
statorischen Struktur 4, nämlich des zylindrischen Gehäuses 100,
mindestens ein sekundärer
Meßluftspalt 7,
vorzugsweise zwei 7, 7A, vorgesehen ist, annehmend
eine symmetrische Position hinsichtlich der schrägen Mittelebene 111 des
Aktuators 1.
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16 stellt
schematisiert den auf den Magneten 104 zurückzuführenden
Fluß in
der statorischen Struktur 4 und im beweglichen Organ 2 dar, und
zwar bei Mangel von Strom in der elektrischen Spule oder Spulen 102, 112, 113 und
mit diesem beweglichen Organ in zentraler Position hinsichtlich
der Hauptluftspalte 3, 3A. Deshalb sei festgestellt,
daß in Anbetracht
der symmetrischen Konstruktion des Aktuators hinsichtlich seiner
schrägen
Mittelebene 111 dieser Fluß beiderseits dieser letzteren
vollkommen geteilt ist. Infolgedessen muß die Einführung eines sekundären Luftspaltes 7 in
den statorischen Teil von einem der beiden Halbkreise 120, 121,
die durch die besagte Symmetrieebene 111 abgegrenzt sind,
vorzugsweise durch die Einführung
eines symmetrischen sekundären
Luftspalts 7A kompensiert werden muß, derart, um den symmetrischen
Verlauf des Kräftegesetzes
dieses Aktuators nicht zu stören.
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Übrigens,
seiend der Umlauf dieses Flusses zwischen den beiden magnetischen
Halbkreisen 120 und 121 geteilt, ist es vorteilhaft,
sie zu addieren, um eine allgemeine Information zu haben. Auch umfaßt nach
der Erfindung für
solche polarisierte bistabile symmetrische Aktuatoren die statorische
Struktur 4 vorzugsweise zwei sekundäre Luftspalte 7, 7A,
die, wie weiter oben angegeben, eine symmetrische Anordnung hinsichtlich
der Symmetrieebene 111 dieses Aktuators annehmen. Außerdem befindet
sich im Bereich eines jeden von diesen sekundären Luftspalten 7, 7A ein
magnetisch empfindliches Element 8, 8A wie eine
Sonde mit Halleffekt, geeignet, ein für die es durchfließende Magnetinduktion
repräsentatives elektrisches
Signal zu senden, wissend, daß diese Signale
addiert werden, um den Gesamtfluß im Magnetkreis dieses Aktuatortyps
zu bestimmen. So weit außerdem
der Fluß des
Stromes bekannt ist, der die Spule 102 oder die Spulen 112, 113 durchfließt, ist
es leicht, davon den Fluß erschließen, der
dem Magneten, und, daher, der Position des beweglichen Organs 2 entspricht.
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Dies
ist in 17 veranschaulicht, entsprechend
einer graphischen Darstellung der Induktion, in den Ordinaten, in
Abhängigkeit
von der Position des beweglichen Organs 2 im Falle eines
Aktuators nach der Ausführungsart
von 13. Insbesondere sind die Verläufe der Induktion B1 (y, ni)
aufgezeichnet, durchfließend
den sekundären
Luftspalt 7, und der Induktion B2 (y, ni), gemessen durch
das magnetisch empfindliche Element 8A im anderen, symmetrisch
angeordneten sekundären
Luftspalt 7A. Was die Linienführung Bt (y, ni) betrifft,
entspricht sie der Summe von B1 (y, ni) und B2 (y, ni), woher die
Induktion Bm (y) erschlossen wird, die auf den Magneten zurückzuführen ist
und ausschließlich
von der Position des beweglichen Organs 2 abhängt, kennend
außerdem
jene Bni, die auf den Strom zurückzuführen ist,
und die als das Produkt einer Funktion f (y) der Position dieses
beweglichen Organs durch die Anzahl der Amperewindungszahlen gebildet
ist, das heißt
Bni = f (y).ni.
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Selbstverständlich ist
dieser Grundsatz ebenfalls anwendbar auf den Fall eines Aktuators, wie
in 14 erkennbar, umfassend nicht eine, sondern zwei
Spulen 112 und 113.
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Was
die 15 anbetrifft, bezieht sie sich auf einen polarisierten
Aktuator mit beweglicher Palette mit Magneten, hier am Stator. Genauer
umfaßt dieser
Aktuator in diesem Fall zwei identische statorische Strukturen 4, 4A,
die symmetrisch beiderseits einer schrägen Ebene 130 angeordnet
sind. Jede von diesen statorischen Strukturen 4, 4A umfaßt mindestens
einen zentralen statorischen Pol 131, 131A, um
welchen sich die elektrische Spule 132, 132A befindet. Äußerlich
der besagten Spule 132, 132A erstrecken sich noch
diese statorischen Strukturen 4, 4A, um einen
oder mehrere seitlichen statorischen Pole 133, 133A zu
bilden, die einen Magneten 134 aufnehmen, der in Richtung
der besagten Mittelebene 130 magnetisiert ist.
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Außerdem verschiebt
sich das bewegliche Organ 2 in Form von einer Palette aus
einem ferromagnetischen Material, die parallel hinsichtlich der Ebene 130 angeordnet
ist, sich zwischen diesen zwei statorischen Strukturen 4, 4A nach
einer Richtung, die zu dieser Ebene 130 senkrecht ist.
In dieser 15 ist eine Übertragungswelle 134 sichtbar,
die die Erhaltung und die Übertragung
der Bewegung dieser Palette sichert.
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Deshalb
verschiebt sich in Abhängigkeit
von der Richtung des Stromes, der die elektrischen Spulen 132, 132A durchfließt, diese
Palette, die das bewegliche Organ 2 bildet, in Richtung
der statorischen Pole 131, 133 der einen 4 der
statorischen Strukturen oder in Richtung nach den Polen 131A, 133A der
anderen 4A, und zwar unter dem Einfluß des Magnetflusses, der von
diesen Letzteren resultiert und sich im Bereich der besagten Palette
durch einen der Hauptluftspalte 3, 3A wieder schließt.
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In
diesem Zusammenhang sei zu beachten, daß diese Magnetflüsse in diesen
statorischen Strukturen 4, 4A zur Folge haben,
in Abhängigkeit
von dieser Richtung des Stromes, der ihre jeweilige Spule 132, 132A durchfließt, je nach
dem Fall, die besagte Palette heranzuziehen oder zurückzudrängen. Deshalb
ist nach der Erfindung ein sekundärer Luftspalt 7, 7A im
Bereich von jeder der statorischen Strukturen 4, 4A verwirklicht,
einerseits, derart, um die symmetrische Konstruktion des Aktuators
beizubehalten, und, andererseits, um in jeden dieser sekundären Luftspalte 7, 7A ein
magnetisch empfindliches Element 8, 8A zu setzen
und somit zu erlauben, die gesamte magnetische Induktion zu messen,
die jede der Strukturen 4, 4A durchfließt. Auch
hier werden in der Folge die Messungen summiert, die durch diese magnetisch
empfindlichen Elemente 8, 8A erhalten sind, um
davon die Induktion zu ermitteln, die auf die Position des beweglichen
Organs 2 zurückzuführen ist,
kennend die Induktion, die sich aus dem Strom ergibt, der die Spulen 132, 132A durchfließt. In der Ausführungsart,
die der 15 entspricht, sind die sekundären Luftspalte 7, 7A im
Bereich vom zentralen statorischen Pol 131, 131A dieser
statorischen Strukturen 4, 4A gebildet. Allerdings
könnten
sich diese sekundären
Luftspalte 7, 7A auch im Bereich vom seitlichen
statorischen Pol oder Polen 133, 133A befinden.
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Ebenso
sei bemerkt, daß die
Magneten 134, 134A ohne Unterschied mit den seitlichen
Polen 133, 133A, mit den zentralen Polen 131, 131A,
ja sogar mit dem beweglichen Organ 2 verbunden werden können.
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Wie
aus der vorgehenden Beschreibung hervorgeht, betrifft die vorliegende
Erfindung nicht einschränkend
jeden Typ polarisierten elektromagnetischen Aktuators, dessen Bewegung
eines beweglichen Organs in einem Magnetkreis eine Veränderung
des Flusses in diesem letzteren induziert.