DE60318433T2

DE60318433T2 - Elektromagnetische Antriebe

Info

Publication number: DE60318433T2
Application number: DE60318433T
Authority: DE
Inventors: Wladyslaw Wygnanski
Original assignee: Camcon Ltd
Current assignee: Silverwell Technology Ltd
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2023-05-24
Also published as: DE60318433D1

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft elektromagnetische Antriebe, und insbesondere eine Antriebskonstruktion, welche in ein Fluid-Durchflussregelventil bzw. -steuerventil integrierbar ist.
Hintergrund zur Erfindung
GB 1,513,966 beschreibt elektromagnetische Schaltgeräte, wovon 10 und 11 ein solches Gerät zeigen, in welcher ein Anker 3 unter der Einwirkung von durch elektrischen Strom erzeugten Änderungen in dem Fluss, welcher den Anker und vier Pole 6, 6', 7 und 7' verbindet, zwischen zwei Punkten umkippen kann. In 11 sind Federn dargestellt, welche ständig ein Ende des Ankers und zwei der Pole verknüpfen, um den Anker zwischen den Polen zu zentrieren. Beispiele der Zentrierfedern sind in 12 und 13 gezeigt.
In beiden Geräten, die in 10 und 11 der GB 1,513,966 dargestellt sind, ist jeweils zwischen den Enden der Magnete und dem magnetischen Material, welches die Pole 6, 6', 7 und 7' bildet, eine Schicht aus unmagnetischem Material vorhanden, aus welchem der Spulenkörper aufgebaut ist. Dies schwächt die Flussdichte, die zur Anziehung und Haltung des Ankers in Kontakt mit Polen 6 und 7' (oder 6' und 7), in beträchtliche Weise. In der Tat, auch wenn Strom in der Spulenwicklung des Gerätes nach 11 fließt, scheint es, dass der Anker durch die Zentrierfedern zwischen den Polen ohne Kontakt damit gehalten wird. Das Gerät ist deshalb keine echte bistabile Vorrichtung, aber kann einen dritten Zwischenzustand einnehmen, in welchem der Anker keinen Kontakt mit irgendeinem der Pole aufweist. Da die gezeigten Federn den Anker bei Abwesenheit von Strom in der Spule zentrieren, sind die von den Federn auf den Anker ausgeübten Kräfte tatsächlich größer als die Anziehungskraft auf Grund des Per manentmagneten, und es ist nur dann der Fall, wenn die auf den Anker wirkende magnetische Kraft durch den Fluss auf Grund des in der Spule fließenden Stroms erhöht wird, dass die Federkräfte überwunden werden und sich der Anker zum Kontakt mit einem oder dem anderen Satz von Polen 6 und 7' oder 6' und 7 verstellt.
Ein elektromagnetischer Antrieb wird in der US-Patentschrift 4,621,660 beschrieben, welche Permanentmagneten, einen Schwenkanker und eine Wicklung aufweist, durch welche ein Fließen eines elektrischen Stroms veranlasst wird, um den Anker aus einer Stellung in eine andere zu verschieben. Der Anker wirkt mit Öffnungen und Durchgängen in einem Gehäuse zusammen, welches den Antrieb enthält, um zur Steuerung einer Strömung eines Fluids von einem Durchgang zu einem anderen Öffnungen darin zu bedecken und freizulegen. Es sind jedoch keine Maßnahmen getroffen, um Energie während einer Ankerbewegung zu speichern, und um folglich den Anker im Übergang zwischen seinen zwei Stellungen zu beschleunigen. Zusätzlich wird der Anker gegen bzw. auf die neuen Pole prallen, wenn er von einem Polpaar auf das andere übergeht, und dies kann bedeutenden Verschleiß herbeiführen und die Lebensdauer des Gerätes verkürzen.
DE 29711175 beschreibt einen Antrieb, welcher einen bistabilen Kippsprunganker (17) aufweist, der zwischen zwei jeweils von einem Polpaar (18, 19, 20, 21) festgelegten Ausgangslagen durch Veränderung eines magnetischen Flusses verstellbar ist, der durch zumindest einen Permanentmagnet (26) erzeugt wird und den Anker (17) und die Pole (18, 19, 20, 21) verknüpft, wenn er eine seiner Ausgangslagen einnimmt. Dies bewirkt, dass der Anker (17) wie eine Wippe in die andere seiner Ausgangslagen umkippt, wobei in jeder von diesen ein geschlossener Pfad mit geringem magnetischen Widerstand für den magnetischen Fluss, der den Anker (17) und zwei der Pole (18, 19, 20, 21) verknüpft, erzeugt wird. Der magnetische Fluss, welcher den Anker (17) in jeder Ausgangslage verbindet, ist allein ausreichend, um zu bewirken, dass der Anker in derjenigen Stellung in Kontakt mit diesen zwei Polen (18, 19, 20, 21) (siehe Seite 5, Zeilen 23–26) verbleibt, bis dass der Fluss, welcher den Anker mit diesen zwei Polen (18, 19, 20, 21) verbindet, geändert wird, um zu bewirken, dass sich der Anker davon löst und zu den anderen zwei Polen (18, 19, 20, 21) wippenartig umkippt, wo er auf Grund des geschlossenen Pfads mit geringem magnetischen Widerstand verbleibt, welcher nun mit diesen anderen zwei Polen (18, 19, 20, 21) hergestellt ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführung eines Antriebs und einen verbesserten integrierten Antrieb und ein Fluid-Durchflussregelventil bzw. -steuerventil zu schaffen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fluid-Durchflussregelventil bzw. -steuerventil bereitgestellt, in welchem ein Anker zu einer Verschwenkung in einer fluiddichten Kammer angeordnet ist, in welche oder aus welcher Fluid über einen ersten Durchgang strömen kann, und wobei der Anker die Fluid-Durchflussregeleinrichtung bzw. -steuereinrichtung aufweist und bei Betrieb eine von zwei Ruhelagen bzw. Ausgangslagen einnehmen kann, wobei er in jeder von beiden in Kontakt mit zwei magnetischen Polen durch magnetischen Fluss, welcher von einem Permanentmagnet geliefert wird, gehalten ist, und wobei eine Verschwenkung des Ankers von einer Ruhelage in die andere durch vorübergehende Änderung des magnetischen Flusses, welcher den Anker und die Pole verbindet, bewirkt wird, so dass der Anker von Polen abgestoßen wird, mit denen er in Kontakt steht, und von Polen angezogen wird, welche die andere Ruhelage festlegen, und wobei durch einen der Pole hindurch ein zweiter Fluiddurchgang vorgesehen ist, welcher mit einer Öffnung in der Vorderseite des Pols kommuniziert, wobei die Öffnung von dem Anker so abgedeckt ist, um eine Fluidströmung zwischen dem zweiten Durchgang und der Kammer zu verhindern, wenn sich der letztere in einer seiner zwei Ruhelagen befindet, aber nicht abgedeckt ist, um eine Fluidströmung durch den zweiten Durchgang zu gestatten, wenn der Anker seine andere Ruhelage einnimmt.
Ein dritter Durchgang ist vorgesehen, welcher zu einer zweiten Öffnung führt, die in einem anderen Pol vorgesehen sein kann, wobei die zweite Öffnung abgedeckt ist, wenn der Anker seine andere Ruhelage einnimmt.
In einer bevorzugten Ausführung sind vier ähnliche Polstücke in zwei Paaren angeordnet, welche mit gegenüber liegenden Enden des Ankers verbunden sind, wobei jedes Paar einen Nord- und Südpol zu dem Anker darstellt, und wobei die zwei Paare symmetrisch zu der zentralen Schwenkachse des Ankers angeordnet sind, und wobei zumindest ein Permanentmagnet mit den Polstücken verknüpft ist, um einen permanenten magnetischen Fluss zu liefern, derart, dass die zwei Pole auf einer Seite des Ankers die gleiche magnetische Polarität wie die zwei Pole auf der anderen Seite des Ankers aufweisen.
In einer weiteren Ausführung mit ebenfalls vier ähnlichen Polstücken, die symmetrisch in zwei Paaren wie zuvor erwähnt angeordnet sind, sind die Pole durch magnetisches Material verbunden, um einen Flusspfad zwischen den zwei Polen auf einer Seite des Ankers und den zwei Polen auf der anderen Seite des Ankers zu bilden, und der Anker weist zumindest einen Permanentmagnet auf, um einen permanenten magnetischen Fluss zu liefern und einen Nordpol an einem Ende und einen Südpol an dem anderen Ende des Ankers zu erzeugen.
Vorzugsweise weisen alle vier Pole einen ähnlichen Durchgang darin auf, um einen ähnlichen magnetischen Querschnitt zu besitzen, obwohl es nicht notwendig ist, dass sich ein Durchgang, wo er nicht zur Beförderung von Fluid in die Kammer hinein oder aus ihr heraus erforderlich ist, vollständig durch den Pole hindurch erstreckt.
Vorteilhafterweise dienen die Durchgänge, welche nicht für eine Fluidströmung erforderlich sind, in den Polpaaren zur Aufnahme von Energie speichernden Federn, von denen jede komprimiert wird, um Energie zu speichern, wenn sich der Anker dem Pol nähert, welcher die Federn enthält, aber von welchem der Anker außer Eingriff kommt, wenn er zu dem anderen Pol schwenkt.
Die Pole weisen Anschläge auf, welche die Verschwenkbewegung des Ankers begrenzen.
Der Anker kann zur Verschwenkung um eine Rippe bzw. einen Steg, welche/welcher einen Schwenkpunkt festlegt, oder zwischen einem sich gegenüber liegenden Paar solcher Rippen oder zur Verschwenkung um eine Achse, die durch einen Stift festgelegt ist, um den der Anker verschwenken kann, montiert werden.
In einer bevorzugten Ausführung erstreckt sich der Anker in einem axialen Sinn durch einen Elektromagnet mit einer Wicklung hindurch, durch welche elektrischer Strom fließen kann, und wird in einem Sinn magnetisch polarisiert, wenn ein Strom in eine Richtung in der Wicklung fließt, und in einem entgegengesetzten Sinn, wenn ein Strom in der entgegengesetzten Richtung fließt.
In der erwähnten weiteren Ausführung weist das die Pole verbindende magnetische Material zumindest teilweise den Kern eines Elektromagneten mit einer Wicklung auf, durch welche Strom in einem Sinn fließt und den magnetischen Fluss so ändert, dass sich die Polarität der durch den Permanentmagnetfluss von dem Ankermagneten zuvor magnetisierten Pole umkehrt, um somit zu bewirken, dass der Anker von den Polen abgestoßen wird, mit denen er in Kontakt ist, und von den beiden anderen Polen angezogen wird.
Indem sichergestellt ist, dass der verbleibende Permanentmagnetfluss, welcher den Anker in jeder Ruhelage verbindet, ausreichend ist, um den Anker in dieser Ruhelage zu halten, weist das Gerät eine bistabile Eigenschaft auf, und es ist lediglich notwendig zu veranlassen, dass ein Stromimpuls in der Elektromagnetwicklung bwz. elektromagnetischen Wicklung in der geeigneten Richtung fließt, um zu bewirken, dass der Anker von einer Ruhelage in die andere verschwenkt, wo er verbleiben auf Grund des restlichen Permanentmagnetflusses verbleiben wird, der ihn mit den anderen Polen verbindet, zu denen er sich verstellt hat.
Vorzugsweise wird ein geschlossener Flusspfad für den Permanentmagnetfluss erzeugt, wenn der Anker jeweils eine seiner Ruhelagen einnimmt.
Die Bewegung bzw. Verschwenkung des Ankers kann auch benutzt werden, um ein zu dem Gerät außen angeordnetes zweites Ventil zu öffnen oder zu schließen, um einen elektrischen Schalter zu öffnen oder zu schließen, oder eine mechanische Funktion außerhalb des Gerätes durchzuführen, und kann darauf direkt oder indirekt einwirken.
In einer bevorzugten Anordnung kann sich eine Schubstange durch einen Durchführung bzw. einen Durchgang in einem der Pole zur Übertragung einer Ankerbewegung nach außerhalb des Gerätes erstrecken.
Vorzugsweise ist die Schubstange aus einem unmagnetischen Material.
Die Schubstange kann sich durch einen oder einen weiteren der Pole, welche einen Fluidförderdurchgang besitzen, oder durch einen Durchgang erstrecken, welcher eine Energie speichernde Feder enthält, und kann mit der Feder verbunden sein, um durch die Feder auf den Anker gedrückt zu werden, wobei Anschlagmittel verhindern, dass die Schubstange dem Anker auf dem gesamten Weg zu seiner mittleren Stellung zwischen den Polen folgt, damit der Anker über einem Teil seines Verstellwegs von zwischen den Polen frei von einer Federbeeinflussung ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Antrieb, welcher einen bistabilen Kippsprunganker aufweist, der zwischen zwei Ruhelagen, die jeweils durch ein Polpaar festgelegt sind, durch Änderung eines durch einen Permanentmagneten erzeugten magnetischen Flusses, der den Anker und die Pole verbindet, wenn er eine seiner Ruhelagen einnimmt, verstellbar ist, so dass bewirkt wird, dass der Anker wie eine Wippe in die andere seiner beiden Ruhelagen umspringt, in welchen jeweils ein geschlossener magnetischer Pfad mit einem niedrigen magnetischen Widerstand für den den Anker und zwei der Pole verbindenden magnetischen Fluss erzeugt ist, wobei der permanente magnetische Fluss, welcher den Anker in jeder Ruhelage verbindet, ausreichend ist, um zu bewirken, dass der Anker in der Lage in Kontakt mit denjenigen beiden Polen verbleibt, bis der Fluss, welcher den Anker mit diesen beiden Polen verbindet, so verändert wird, dass dadurch eine Einwirkung auf den Anker zur Ablösung davon und zum Umspringen auf die anderen beiden Pole erzeugt wird, wo er auf Grund des magnetischen Pfades mit niedrigem magnetischen Widerstand, der nun mit diesen anderen Polen gebildet ist, verbleibt, wobei ein Teil der magnetischen Anziehungskraft zwischen dem Anker und den Polen in potentielle Energie umgewandelt und gespeichert wird, während der Anker in jeder Ruhelage verbleibt, um zur Verfügung zu stehen, eine beschleuigende Kraft auf den Anker in einer Richtung von der Ruhelage aus zu seiner anderen Ruhelage hin auszuüben, wenn der magnetische Fluss geändert wird, um zu bewirken, dass sich der Anker von den Polen löst, welche diese Ruhelage festlegen.
Energie kann in einer elastischen deformierbaren Vorrichtung, wie zum Beispiel eine Feder, gespeichert werden.
Vorzugsweise sind zwei Federn vorgesehen, wobei eine komprimiert wird, wenn der Anker zum Eingriff mit einem Pol verschwenkt, und die andere von diesen wird komprimiert, wenn der Anker zum Eingriff mit dem anderen Pol verschwenkt.
Die Pole weisen Anschläge auf, welche die Verschwenk-Umspringbewegung des Ankers begrenzen.
Der Anker kann zur Verschwenkung um eine Rippe bzw. einen Steg, welche/welcher einen Schwenkpunkt festlegt, oder zwischen einem sich gegenüber liegenden Paar solcher Rippen/Stege, oder zur Verschwenkung um eine Achse, die durch einen Stift festgelegt ist, um welchen der Anker schwenken kann, montiert werden.
Die von der gespeicherten Energie ausgeübte Kraft ist so ausgebildet, dass sie kleiner als die Anziehungskraft auf Grund des Flusses ist, der den Anker und das Polstück verbindet, sobald der Pfad mit geringem magnetischen Widerstand hergestellt ist.
Typischerweise wird die Flussänderung, welche erforderlich ist, um den Wechsel des Ankers von einem Pol zu dem anderen zu bewirken, durch einen kurzen Stromimpuls bewirkt, der durch eine Elektromagnetwicklung fließt, welcher den den Anker und die Pole verbindenden Fluss beeinflusst, wobei die Richtung des Stroms in jedem Impuls zur Bewirkung eines jeden Wechsels entsprechend ausgewählt wird.
In einer Anordnung, in welcher der oder jeder Permanentmagnet einen Teil des Pfades mit geringem magnetischen Widerstand außerhalb des Ankers bildet, umgibt eine elektromagnetische Wicklung den Anker, um die magnetische Polarität des Ankers, die sonst durch einen von einem Permanentmagneten stammenden Fluss bewirkt wird, umzukehren, wenn ein Strom in einer Richtung in der Wicklung fließt.
In einer weiteren Ausführung, in welcher der oder jeder Permanentmagnet einen Teil des Ankers bildet, bildet der Kern des Elektromagneten vorzugsweise einen Teil des Flusspfades mit geringem magnetischen Widerstand zwischen den Polen, so dass bei Energiezuführung der durch den in der Windung fließenden Strom erzeugte Fluss die magnetische Polarität der Pole diejenige durch den permanenten magnetischen Fluss erzeugte umkehrt, um die Abstoßung des Ankers davon zu bewirken.
In jeder Ausführung bewirkt die Umkehrung der magnetischen Polarität des Ankers oder der Pole, an welche er angezogen wird, dass der Anker von den Polen, an welche er bis dahin angezogen war, abgestoßen und von den anderen beiden Polen angezogen wird.
Elastische Federmittel bzw. -einrichtungen können mit einem oder beiden Enden des Ankers verbunden sein.
In einer bevorzugten Ausführung sind die Federmittel verbunden mit und unverlierbar in einer Aufnahme in dem Vorderseitenende eines jeden der Polpaare gehalten. Ein Druckglied kann über jedes Vorderseitenende zum Eingriff mit dem Anker hervorstehen, um eine Ankerbewegung zur Kompression der Federmittel und umgekehrt zu übertragen.
Ein Ende des Ankers, gemessen von der Achse, um welche der Anker verschwenkt, kann länger sein als das andere, so dass die von dem einen Ende des Ankers zurückgelegte Entfernung größer als diejenige seines anderen Endes ist.
Alternativ kann ein Ende des Ankers durch ein Verlängerungselement verlängert sein, welches nicht aus einem magnetisierbaren Material bestehen muss, so dass das Ende des Verlängerungselementes eine größere Entfernung zurücklegt als jedes Ende des Ankers selbst.
Eine verlängerte Feder kann so an dem Anker angebracht sein, dass sie sich über ein oder beide Enden des Ankers erstreckt, oder an dem Gehäuse angebracht sein, oder an einem an dem Gehäuse angebrachten Bauteil angebracht sein. Die oder jede Feder weist eine Länge eines elastischen Werkstoffs auf, welcher sich von dem Anker ausdehnt, um von dessen Ende hervorzustehen, und kann eine Länge eines Federstahls sein. Die (oder jede Feder) kann in jeder herkömmlichen Weise an ihrem Ende entfernt von dem Anker gesichert sein, aber ist vorzugsweise auf eine solche Art und Weise unverlierbar gehalten, dass die Länge eines Federwerkstoffs über dem Anker so gebogen ist, dass sie eine oder eine andere von zwei Kurven bzw. Seilkurven beschreibt und sich verbiegen kann und von einer Kurve zu der anderen umspringt, um dem Anker eine Verschwenkung um den Steg (oder die Stege) zu ermöglichen, und wenn die Feder mit einer Ankerbewegung bzw. -verschwenkung verbogen wird, wird auf diese Weise Energie in der Feder gespeichert, deren Durchbiegung dazu tendiert, einer Verschwenkung des Ankers in seine Ruhelage zu widerstehen.
Das unverlierbar gehaltene Ende der oder jeder Feder kann in einer Hülse in dem Gehäuse oder in Blöcken, die in oder an dem Gehäuse befestigt sind, aufgenommen werden.
Die Bewegung bzw. Verschwenkung des Ankers kann benutzt werden, um ein Ventil zu öffnen oder zu schließen, einen elektrischen Schalter zu öffnen oder zu schließen, oder eine mechanische Funktion auszuführen, und kann direkt oder indirekt darauf einwirken.
In einer bevorzugten Anordnung können die Ausnehmungen, welche Energiespeichereinrichtungen aufnehmen, die in Eingriff bringbar sind, wenn sich der Anker den Polen annähert, in Durchführungen durch die Pole eingeformt sein.
Der Antrieb kann innerhalb eines Gehäuses angeordnet sein, und ein Durchgang bzw. eine Durchführung in jedem oder mehreren Polen kann mit einer Durchführung oder Durchführungen in dem Gehäuse zur Beförderung von Fluid in das Gehäuse hinein oder aus ihm heraus kommunizieren, und durch welche hindurch eine Fluidströmung durch Eingriff des Ankers mit einem Pol, der eine Durchführung enthält, verhindert wird.
Eine durch den Anker in Eingriff bringbare Schubstange zur Übertragung einer Ankerbewegung nach außerhalb des Gerätes kann durch eine Durchführung in einem Pol verlaufen, derart, dass eine Ankerbewegung einen außerhalb angeordneten Schalter, Ventil oder eine andere Einrichtung betätigen kann. Die Schubstange kann sich frei durch die Durchführung erstrecken, insbesondere, wenn sie zur Förderung von Fluid benutzt wird, oder kann darin einen Gleitsitz aufweisen.
Die Schubstange kann sich stattdessen durch eine Durchführung erstrecken, welche eine Energie absorbierende Feder enthält, und kann zum Vorteil mit der Feder verbunden sein, um dadurch auf den Anker gedrückt zu werden, und eine Anschlageinrichtung ist vorgesehen, um zu verhindern, dass die Schubstange dem Anker den gesamten Weg zu seiner mittleren Stellung zwischen den Polen folgt, damit der Anker über einem Abschnitt seines Verstellwegs zwischen den Polen frei vom Einfluss der Feder ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein elektromagnetischer Antrieb einen verlängerten magnetisierbaren Anker auf, welcher zwischen zwei Ruhelagen in Kontakt mit Polen aus magnetischem Material in Art einer Wippe verschwenkbar ist, und bei einer solchen Verschwenkung eine mittlere Stellung durchlauft, die äquidistant zu den Polen ist, aber in einer Ruhelage oder der anderen auf Grund der magnetischen Anziehung zwischen ihm und den Polen verbleibt, wobei ein geschlossener Pfad mit geringem magnetischen Widerstand für magnetischen Fluss durch den Anker erzeugt wird, welcher einen Kontakt mit zwei der Polen herstellt, wenn er in jeder Ruhelage ist, und der Pfad mit geringem magnetischen Widerstand weist zumindest einen Permanentmagnet auf, dessen Fluss die Anziehungskraft zwischen dem Anker und den Ruhelagepolen, mit welchen er in Kontakt ist, erzeugt, wodurch der Anker in derjenigen Ruhelage beibehalten wird, und ein Elektromagnet ist vorgesehen, welcher eine Wicklung aufweist, durch welche elektrischer Strom fließen kann, welche bei Energiezufuhr durch einen geeigneten Stromfluss den magnetischen Fluss so ändert, dass bewirkt wird, dass der Anker von den Polen, mit denen er in Kontakt ist, abgestoßen und von den anderen zwei angezogen wird, so dass er zu den anderen zwei Polen umspringt, und wobei elastische Energiespeichereinrichtungen vorgesehen sind, welche keinen Einfluss auf den Anker in oder in der Nähe seiner mittleren Stellung haben, aber wenn der Anker sich den Polen nähert, der Endbewegung des Ankers auf die Pole widerstehen.
Der oder jeder Permanentmagnet kann einen Teil bzw. Abschnitt des Ankers aufweisen, so dass er permanent einen Nordpol an einem Ende bildet und einen Südpol an dem anderen Ende, in welchem Fall der Elektromagnet so positioniert ist, um einen magnetischen Fluss in dem externen Pfad des Ankers mit geringem magnetischen Widerstand zu erzeugen, so dass, wenn der Strom in einer Richtung fließt, die durch den Permanentmagnetfluss erzeugten Pole, und an welche der Anker angezogen ist, umgekehrt werden, wobei bewirkt wird, dass der Anker von diesen zu den anderen zwei Polen hin abgestoßen wird.
Alternativ kann der oder jeder Permanentmagnet einen Teil bzw. Abschnitt des externen Pfads mit geringem magnetischen Widerstand des Ankers aufweisen, in welchem Fall der Elektromagnet relativ zu dem Anker so angeordnet ist, dass, wenn Strom in einer Richtung fließt, magnetischer Fluss erzeugt wird, welcher die magnetische Polarität des Ankers umkehrt, wobei bewirkt wird, dass er von den Polen, mit denen er in Kontakt ist, abgestoßen und von den anderen zwei Polen angezogen wird.
Durch Änderung der Stromflussrichtung in der elektromagnetischen Wicklung wird bei jeder Energiezufuhr jeder Stromimpuls den Anker zwischen seinen zwei Ruhelagen verstellen.
Jede elastische Energiespeichereinrichtung ist so ausgewählt, dass sie eine ansteigende Kraft auf den Anker ausübt, wenn er sich auf den Pol hin zubewegt, welche den Anker abbremst, wenn er sich dem Pol nähert, aber nicht ausreichend ist, um die ansteigende Kraft einer magnetischen Anziehung zwischen dem Anker und dem Pol zu überwinden, wenn der vorherige dicht an dem letzteren anliegt, um dadurch die Aufprallkraft zu reduzieren, wenn den Anker den Pol kontaktiert, und um Energie aus der Abbremsung des Ankers zu speichern, wobei diese Energie zur Verfügung steht, um den Anker von dem Pol hinweg zu beschleunigen, wenn der magnetische Fluss, welcher den Anker und Pol verbindet, verringert wird.
Die Pole weisen Anschläge auf, welche die Verschwenkungsbewegung des Ankers begrenzen.
Eine Rippe bzw. ein Steg, welche/welcher einen Schwenkpunkt bildet, kann die Schwenkachse des Ankers festlegen. Alternativ können zwei derartige Rippen bzw. Stege vorgesehen sein, einer über und der andere unter dem Anker, um eine Schwenkachse für den Anker festzulegen. Alternativ kann der Anker zur Verschwenkung um eine feste Achse montiert sein, wie durch einen Stift festgelegt, der typischerweise innerhalb des Elektromagnetkerns befestigt ist.
Der Permanentmagnet, die Polstücke und der Elektromagnet können innerhalb eines Gehäuses enthalten sein.
Das Gehäuse kann aus einem magnetisierbaren Werkstoff gebildet sein und einen Abschnitt bzw. Teil eines Flusspfades mit geringem magnetischen Widerstand aufweisen.
Bei einer Anordnung in einem Gehäuse kann eine Bewegung des Ankers nach außerhalb des Gehäuses übertragen werden, zum Beispiel mittels einer Schubstange.
Die elastischen Energiespeichereinrichtungen können zwischen dem Anker und einem festen Punkt wirken, wie beispielsweise dem Gehäuse oder einem an dem Gehäuse angebrachten Bauteil, aber in einer bevorzugten Konfiguration wirken die elastischen Einrichtungen zwischen dem Anker und zumindest einigen der Pole.
Die elastischen Energiespeichereinrichtungen können von dem Anker getragen sein und sich von ihm ausdehnen, oder an den Polen angebracht sein und sich von diesen ausdehnen.
Vorzugsweise sind die elastischen Energiespeichereinrichtungen in Aufnahmen in zwei der Pole angeordnet, und Bauteile zum Eingriff mit dem Anker stehen von den Vorderseiten der Pole hervor, von denen jedes mit dem Anker in Eingriff kommt und in seine Aufnahme geschoben wird, um die darin befindliche elastische Energiespeichereinrichtung zu komprimieren, wenn sich der Anker seinem Pol nähert.
Schubstangeneinrichtungen können sich durch eine oder mehrere Durchführungen in den Polen zur Übertragung einer Ankerbewegung hindurch nach außerhalb des Gerätes erstrecken.
Vorzugsweise sind die Schubstangeneinrichtungen aus unmagnetischem Werkstoff.
Wo die Energiespeichereinrichtungen eine komprimierbare Feder aufweisen, kann sich eine Schubstange durch die Feder hindurch erstrecken und damit verbunden sein, um dadurch von der Feder auf den Anker hin gedrückt zu werden, wobei Anschlagmittel bzw. -einrichtungen dazu dienen, zu verhindern, dass die Schubstange dem Anker den gesamten Verstellweg zu seiner mittleren Stellung zwischen den Polen folgt, so dass der Anker über einem Teil seines Verstellwegs zwischen den Polen frei von einem Federeinfluss ist.
Ein Antrieb, welcher die Erfindung verkörpert, ob selbständig oder in Kombination mit einer Kammer zur Bildung eines Fluidsteuer- bzw. -regelventils, ist im Wesentlichen bistabil darin, dass, nachdem der permanente magnetische Fluss geändert wurde, um die wippenartige Verschwenkungsaktion des Ankers hervorzurufen, der magnetische Fluss, welcher den Anker und die Pole in dem nun hergestellten Pfad mit geringem magnetischen Widerstand zusammenhält, ausreichend ist, um zu bewirken, dass der Anker in dieser Stellung mit den Polen verbleibt. Er wird dort verbleiben, bis dass der den Anker und die Pole verbindende magnetische Fluss erneut geändert wird, um zu veranlassen, dass sich der Anker von diesen zwei Polen löst und zu den anderen zwei umspringt.
Die Flussänderung kann dadurch erfolgen, indem ein Magnet (welcher ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein kann) in die Nähe des Gerätes so bewegt wird, dass der magnetische Fluss, welcher den Anker in seiner Ruhelage hält, vorübergehend geändert wird, um zu bewirken, dass sich der Anker in seine andere Ruhelage verstellt. Auf alternative Art und Weise kann die Flussänderung erreicht werden, indem ein elektrischer Strom veranlasst wird, wenn auch nur momentan, in einer Wicklung eines Elektromagneten zu fließen, was die magnetische Polarität des Ankers oder die magnetische Polarität der zwei Pole beeinflusst, mit denen er in der einen Ruhelage in Kontakt ist, um ein Abstoßen zwischen dem Anker und den Polen, mit denen er in Kontakt steht, und ein Anziehen durch die anderen zwei zu erzeugen.
Durch einen Einbau der Polstücke, welche die Pole festlegen, des Permanentmagneten, des Elektromagneten (wo vorgesehen) und des Ankers in ein Gehäuse, und durch Vorsehen von Durchführungen in dem Gehäuse, welche zwischen Einlass- und Auslassanschlüssen in dem Äußeren des Gehäuses und der Durchführung in dem oder jedem Pol oder in einer gekrümmten Oberfläche kommunizieren, die von einer gekrümmten Oberfläche auf dem Anker zur Öffnung und Schließung derselben in Eingriff kommt, wird auf diese Art und Weise ein integriertes Fluid-Durchflusssteuerventil bzw. -regelventil und ein Antrieb dazu gebildet.
Die Verwendung von elastischen Energiespeichereinrichtungen in einem Antrieb (ob für sich allein oder integriert mit einem Fluid-Durchflusssteuerventil) reduziert in signifikanter Weise die Reaktionszeit des Ankers (das heißt, die Zeit zum Verschwenken oder Umspringen bzw. Kippen wie eine Wippe von einer Ruhelage in die andere). Es erhöht auch einen elektrischen Wirkungsgrad, da die Energie (abgeleitet von dem Permanentmagnetfluss), welche in den elastischen verformbaren Einrichtungen während der Endbewegung des Ankers in den Kontakt mit den Polen gespeichert worden ist, den zur Generierung eines ausreichenden magnetischen Umkehrflusses erforderlichen elektrischen Strom reduziert, um die restliche magnetische Rückhaltekraft, die auf den Anker einwirkt, zu überwinden, um den Anker zur Verschwenkung oder zum Kippen in seine andere Ruhelage zu lösen.
Wenn elastische Energiespeichereinrichtungen eingebaut sind, wird der Anker normalerweise seine maximale Geschwindigkeit in der Mitte des Wechsel von einem Pol zu dem anderen erreichen (d. h. auf der halben Wegstrecke zwischen einem Paar von Polen, welche die beiden Ruhelagen festlegen). Nach Durchlauf der Mittelstellung und in Eingriff kommen mit den elastischen deformierbaren Einrichtungen, die mit dem anderen Pol in Verbindung stehen, wirkt nun eine Kraft auf den Anker, welche anfängt, einer weiteren Bewegung des Ankers auf den anderen Pol hin zu widerstehen, derart, dass die augenblickliche Geschwindigkeit des Ankers danach progressiv verringert wird, und ein Teil der kinetischen Energie des Ankers wird in potentielle Energie umgewandelt und in der Energiespeichereinrichtung gespeichert, da die letztere komprimiert wird, um dem Anker ein Annähern an den anderen Pol und ein Kontaktieren desselben zu gestatten, und das Ankommen des Ankers in seiner neuen Stellung in Kontakt mit dem anderen Pol kann fast ohne Aufprall erfolgen.
Typischerweise ist der Anker aus ferromagnetischem Material aufgebaut, zum Beispiel unlegierter Stahl, und ist vorzugsweise als eine laminierte Sandwichstruktur dünner Streifen ferromagentischen Werkstoffs konstruiert, um Verluste zu minimieren, die durch Wirbelströme verursacht werden.
Im Allgemeinen muss die magnetische Flussänderung zur Herbeiführung einer Verstellung des Ankers in die andere Ruhelage den Anker oder die statischen Polen entgegengesetzt magnetisieren.
Eine derartige Anordnung ist außerordentliche vorteilhaft, da sie nicht nur eine schnelle Reaktion, die geringe Antriebsenergie erfordert, sondern insbesondere auch eine lange Lebensdauer sicherstellt.
Die Erfindung wird nun auf beispielhafte Weise mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigen:
1 eine Seitenquerschnittsansicht eines integrierten Ventils und magnetischen Antriebs, die als eine Ausführung der Erfindung aufgebaut sind, zur Steuerung des Durchflusses von Fluid zwischen einem Einlassanschluss und Auslassanschlüssen;
2 eine Draufsicht des in 1 gezeigten Gerätes;
3 eine Seitenquerschnittsansicht einer modifizierten Gestalt des in 1 gezeigten Antriebs, aufgebaut als eine weitere Ausführung der Erfindung;
4 und 5 Seitenquerschnittsansichten von Integrationen des Antriebs nach 3 mit zwei unterschiedlichen Tellerventilen zur Steuerung des Durchflusses von Fluid zwischen Einlass- und Auslassanschlüssen;
6 eine Seitenquerschnittsansicht eines weiteren integrierten Ventils und magnetischen Antriebs, die als eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, zur Steuerung des Durchflusses von Fluid zwischen einem Einlassanschluss und Auslassanschlüssen; und
6A eine Teilschnittansicht durch Pol B von 6.
In 1 und 2 werden die Bauteile wie folgt bezeichnet:

1: Permanentmagnet
2: Kippsprunganker
3, 4: Polstücke
5, 6: Federn
7, 8: Federhalter
9: Spule
9a: Spulenanschlüsse
10: Spulenkörper
11, 12: Kippstege
13: Einlassanschluss
14, 15: Auslassanschlüsse

Der Antrieb nach 1 stellt eine neue Ausführung eines durch Impuls angetriebenen bistabilen Gerätes dar, wobei eine Bewegung eines ferromagnetischen Ankers (2) durch Federverlängerungen (5, 6), die in zwei unmagnetischen Haltern (7, 8) verankert sind, und durch zwei Kippstege (11, 12), die innerhalb eines Spulenkörpers (10) eingeformt sind, auf eine Ebene begrenzt ist. Der Anker bleibt in einer oder der anderen von zwei stabilen Stellungen, die durch die Pole A und D oder B und C festgelegt sind.
Ein Permanentmagnet (1) liefert einen statischen magnetischen Fluss, und eine Kippsprungbewegung wird hervorgerufen, indem die Polarität des Ankers und das Gleichgewicht zwischen dem magnetischen Fluss, der die Pole und die gegenüber liegenden Enden des Ankers verbindet, geändert wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass Spule (9) um den Anker (2) herum eingebaut ist, was ein lokales magnetisches Feld erzeugt, wenn ein kurzer Impuls eines elektrischen Stroms durch die Spule fließt. In einer Richtung verstärkt dies den Fluss, wobei so den Anker in seiner letzten Stellung gehalten wird, (in Kontakt mit Polen B und C, wie dargestellt ist). Die andere Richtung eines Stromflusses kehrt die magnetische Polarität des Ankers um und reduziert in ausreichender Weise den Fluss, welcher den Anker mit dem einen Satz von Polen (B und C, wie gezeigt) verbindet, um zu bewirken, dass der Anker in seine andere stabile Lage in Kontakt mit Polen A und D umspringt.
Die magnetische Kraft einer Abstoßung (von Polen B und C) und einer Anziehung (zu Polen A und D hin) wird anfänglich durch die in 5 und 6 gespeicherte Federkraft unterstützt. Eine Bewegung ist daher sehr schnell, da ist eine maximale Kraft gibt, die auf den Anker zu Beginn einer jeden Kippsprungbewegung einwirkt, und auf diese Art und Weise kann eine sehr kurze Ankerreaktionszeit erlangt werden.
Da sich der Anker durch seine mittlere Stellung hindurch bewegt, vermindert sich die Federkraft, welche auf den Anker wirkt und den Anker bis jetzt von einem Satz von Polen auf den anderen Satz hin beschleunigt, auf Null, kehrt sich dann um und wirkt dergestalt, dass sie einer Bewegung des Ankers auf den anderen Satz von Polen hin einen Widerstand entgegensetzt. Dies tendiert dazu, den Anker abzubremsen, wenn er sich auf den anderen Satz von Polen hinbewegt.
Auf diese Art und Weise wird der Aufprall zwischen Anker und Polen reduziert, wenn der vorherige aus einer Stellung in die andere umspringt.
Indem eine der Federn nicht festgesetzt wird, kann das freie Federende benutzt werden, um irgendetwas außerhalb des Gerätes zu bewegen, wie in 3 dargestellt ist.
Zum Beispiel kann das freie Ende verwendet werden, um ein Ventil, wie in 4 und 5 gezeigt ist, zu öffnen und zu schließen. Die ausgewogenen und exakt festgelegten magnetischen Kräfte und Federkräfte stellen einen bistabilen Betrieb sicher. Auf diese Weise werden beide Ventilstellungen (geöffnet und geschlossen) eher durch magnetische Kraft als durch Stützung auf Federkraft beibehalten, und kurze Reaktionszeit, geringer Energie-(Strom-)verbrauch und lange Lebensdauer werden trotzdem erlangt. Es gibt eine große Vielfalt an externen Geräten bzw. Vorrichtungen, welche durch ein solches in 2 dargestelltes Gerät gesteuert werden können. Beispiel sind die folgenden.
So zeigt 4 den Antrieb aus 3, welcher ein Hochdruckventil betätigt, das unter Druck aus einer Kammer (nicht gezeigt), in welche oder aus welcher Fluid strömt, selbstabdichtend ist. Diese Konfiguration kann benutzt werden, um Einlass- und/oder Auslass- bzw. Abgasventile in einer Kraftmaschine mit innerer Verbrennung bzw. Verbrennungsmaschine zu steuern, wobei sich so die Notwendigkeit einer Nockenwelle erübrigt. Die in 4 angegebene Fluidströmung ist illustrative für ein Einlassventil. Die Strömungsrichtungspfeile würden im Fall eines Abgasventils umgekehrt verlaufen.
In 5 ist der Antrieb nach 3 bei Betrieb eines Dosierventils dargestellt, welches ebenfalls unter Druck von einer Versorgungsquelle, die mit dem Einlass verbunden ist, selbstabdichtend ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung kann verwendet werden, um die Zufuhr von Gasen oder Flüssigkeiten, z. B. Getränkespender, Brennstoffzellen, Sauerstoffversorgung eines Patienten und vieles mehr, digital zu steuern.
Der Antrieb aus 3 kann als ein aktiver Durchflussmischer, eine aktive Durchflussrichtungssteuereinrichtung gebraucht werden, wobei zum Beispiel zwei verschiedene Fluide in einer steuerbaren Weise zu mischen sind, z. B. in einem direkten digitalen Strahltriebwerk-Lärmsteuersystem oder wenn ein ankommendes Fluid in eine Richtung oder eine andere gerichtet werden muss, z. B. Kraftstoffversorgungsmodulation in Gasturbinen.
1 und 6 stellen dar, wie der Anker selbst als eine Ventilschließeinrichtung dienen kann, indem Durchführungen in den Polen C und D gebildet sind, welche mit Anschlüssen 14 und 15 in 1, und 16 und 17 in 6 kommunizieren.
Im Fall von 1 dient ein weiterer Anschluss 13 als Einlassanschluss, und eine Bewegung bzw. ein Umspringen des Ankers 2 verbindet den Einlassanschluss 13 entweder mit Anschluss 14 (wie dargestellt) oder in seiner anderen Stellung (in Kontakt mit Polen A und D) mit Anschluss 15. In diesem Fall bilden Anschlüsse 14 und 15 Auslassanschlüsse, und das Ventil ist ein Umleitungsventil zur Leitung von Fluid von 13 entweder zum Auslass 14 oder 15.
Wenn Anschluss 15 in 1 (oder 17 in 6) blockiert ist, wird das Ventil zu einem einfachen EIN/AUS-Fluid-Durchflusssteuerventil, welches in einer Stellung einen Fluiddurchfluss zwischen Anschlüssen 13 und 14 (wie gezeigt) (oder 16 und 18 in 6) (oder umgekehrt) ermöglicht, und in der anderen Stellung einen Fluiddurchfluss dazwischen unterbricht.
In 6 werden die gleichen, wie in 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen benutzt, um den Permanentmagnet 1 und die magnetischen Polstücke 3 und 4 zu bezeichnen, welche nach innen hervorstehen, um Pole C und D festzulegen. Jedes ist jeweils mit einer Durchgangsbohrung 16A und 17A ausgebildet, und alle sind in Gehäusebauteilen 19 und 19A aufgenommen. Die letzteren sind aus unmagnetischem Material geformt und dienen zur Einschließung des Antriebs und des Ventils.
Eine auf einem Spulenkörper 9A augewickelte Spule 9 ist zwischen den zwei Polpaaren A, B und C, D angeordnet und umgibt den in 6 mit 20 bezeichneten Anker, wobei der Anker 20 anstelle in einer Anordnung mit einer oder mehreren Blattfedern 5, 6 und Kippambossen bzw. -tischen 11, 12 wie in 1 und 3, um einen Stift 22 schwenkbar dargestellt ist.
Dichtungen 24, 26 umgeben die Verbindungsstellen zwischen den Polstücken 3, 4 und Gehäusebauteilen 19, 19A, um Fluidverluste von den Anschlüssen und Durchgängen 16, 16A und 17, 17A zu verhindern.
Jeweilige zylindrische Durchgänge 28, 30 in den Polstücken 3, 4 dienen zur Anordnung und Aufnahme von zylindrischen Einsätzen 32, 34 aus magnetisierbarem Material, welche in das Innere des Gerätes hervorstehen, um magnetische Pole A, B an einem Ende des Ankers zu bilden, wie es auf ähnliche Weise die hohlen Vorsprünge des Polstücke ausführen, die magnetische Pole C, D an dem anderen Ende des Ankers bilden.
Innerhalb der hohlen Innenräume der Poleinsätze 32, 34 sind jeweils Federeinheiten 36, 38 angeordnet. Jede Einheit weist ein dünnwandige zylindrische Hülse 40, (42) auf, innerhalb welcher ein Kompressionsfeder 44, (46) unverlierbar zwischen einem Endanschlag 48, (50) an dem außen liegenden Ende der Hülse 40, (42) und einer Kugel 52, (54) gehalten ist, die ihrerseits innerhalb der Hülse an dem innen liegenden Ende davon unverlierbar gehalten ist.
Wie in 6 gezeigt ist, steht die unverlierbare Kugel 54 in der Hülse 42 über die Endvorderseite des Poleinsatzes 34 unter der Einwirkung der Feder 46 hervor, wenn der Anker an Pol A angezogen ist, aber wird auf Grund eines Kragenbereiches 43 an dem innen liegenden Ende der Hülse 42 daran gehindert, die Hülse 42 zu verlassen (am besten in dem vergrößerten Teilschnitt von 6A zu erkennen).
Wenn jedoch der Anker 20 in seine andere Stellung umspringt, kommt er mit der Kugel 54 in Eingriff, wenn er sich über seine mittlere Stellung hinaus bewegt, und beginnt die Feder 46 durch die Kugel so zu komprimieren, dass sich die Kugel 54 von dem Kragen 43 löst, wenn er sich zum Verschluss des inneren Endes des Einsatzes 34, der Pol B bildet, bewegt.
Eine Kompression der Feder 46 wandelt einen Teil der kinetischen Energie des sich bewegenden Ankers in potentielle (Feder-)Energie um, welche in der Feder gespeichert bleibt, während der Anker in Kontakt mit Pol B verbleibt.
Selbstverständlich wird das Umgekehrte auf die Feder 44, die mit Einsatz 32 von Pol A in Verbindung steht, angewendet. Mit dem Anker 20 in der in 6 gezeigten Stellung ist Energie in der komprimierten Feder 44 gespeichert, und sobald der magnetische Fluss, welcher Anker und Pole verbindet, magnetische Anziehungs- und Abstoßungskräfte zum Umspringen des Ankers 20 in seine andere Stellung (in Kontakt mit Polen B und C) hervorruft, steht die gespeicherte Energie zur Verfügung, um den Anker 20 von Pol A weg auf Pol B hin zu beschleunigen.
Da der Anker Pol A verlässt, wird Kugel 52 ermöglicht, sich unter der Einwirkung der Feder 44 in ihre vollständig hervorstehende Position (ähnlich zu derjenigen, die durch Kugel 54 in 6A eingenommen wird) zu bewegen, wo sie durch einen ringförmigen Kragen 45 ähnlich zu dem in 6A gezeigten 43 zurückgehalten wird.
Die ringförmigen Kragen 43, 45 können durchgehende Ringe aus einem Material um das Ende der Hülsen 40, 42 herum ausgebildet sein, oder sie können Segmente aus ringförmigen Ringen in der Gestalt von Klauen ähnlich zu denjenigen sein, welche benutzt werden, um einen Edelstein in einem Ring zu halten.
Ebenso können die Endanschläge 48, 50 an den anderen Enden der Hülsen 40, 42 massive Endwände oder ein Kragenbereich, welche es der Feder nicht ermöglichen, die Hülsen zu verlassen, eine Vielzahl von zuvor erwähnten Klauen oder einfach eine oder mehrere Stangen sein, die sich quer über das offene Ende der Hülse erstrecken.
Zur Erleichterung eines Zusammenbaus können den Endanschläge 58, (50) geformt werden, nachdem die Kugel und Feder in die Hülse eingebracht worden sind.
Jeder magnetisierbare Einsatz 32, (34) kann durch Schraubengewindeeingriff zwischen ihm und seinem Polstück 3, (4) oder durch eine Presspassung und/oder durch eine ringförmige Schulter 56, (58) zwischen einem innen liegenden Endbereich, der den Pol A, (B) bildet, mit einem größeren Durchmesser und einem Abschnitt mit kleinerem Durchmesser, welcher sich durch die Durchführung 28, (30) in dem Polstück 3, (49) erstreckt, in Position gehalten werden. Das außen liegende Ende kann mit einem Flansch versehen sein, wie durch einen Metalldrückvorgang bei Herstellung zur Formung eines ringförmigen Flansches 60, (62). Wie dargestellt ist, sind diese in ringförmigen Ausnehmungen in den äußeren Seiten der Polstücke 3, 4 aufgenommen, um den Abschnitt mit kleinerem Durchmesser des Einsatzes 32, (34) zwischen inneren und äußeren Seiten des jeweiligen Polstückes 3, (4) festzusetzen.
Da die Flansche 60, 62 mit den Kragenbereichen 43, 45 nicht ununterbrochen ausgebildet sein müssen, können sie aber eine Vielzahl von radial geformten Fingern aufweisen, welche zur Erleichterung eines Einsetzens des Einsatzes in die Durchführung 28, (30) als axial sich um das Ende des Einsatzes ausdehnende Kronen intern geformt sind, aber können bei Herstellung in die ringförmige Ausnehmung in der äußeren Seite des Polstücks 3, (4) eingezwängt werden, in welche der Einsatz eingeschoben worden ist.
Die Kugeln 52, 54 sind als sphärisch ausgebildet gezeigt, und der Abstand, um welchen sie zu dem Anker 20 hervorstehen, wird zumindest teilweise durch den Durchmesser der Öffnung in dem Kragenende 43, (45) der Hülse 40, (42) und der Position des Kragenendes relativ zu der Endstirnfläche des Pols A, (B) bestimmt.
Wenn die Kugeln 52, 54 um ein größeres axiales Maß hervorstehen sollen, als es durch Verwendung von sphärischen Kugeln erreichbar ist, können sie durch nichtsphärische Kugeln ersetzt werden, welche Ei-förmig oder auch zylindrisch mit einem Bereich verringerten Durchmessers angepasst zum Hervorstehen durch die Kragenöffnung 45, (43) und einem Bereich mit größerem Durchmesser jeweils unverlierbar gehalten zwischen dem Ende der Feder 44, (46) und dem Kragen 45, (43) ausgebildet sein können.
Die Größe und Dauer der Beschleunigungs-(oder Abbrems-)Kräfte, die auf den Anker auf Grund der Auslösung (oder Speicherung) von Federkraft einwirken, sind durch Auswahl der Federn gemäß der erforderlichen gewünschten Federrate einstellbar, und der Abstand, in welchem die Kugeln 52, (54) (oder andere Vorrichtungen) über die Endstirnseiten der Pole A, B in diesem Weg des freien Verstellwegs des Ankers, wenn er mit keiner der Kugeln 52 und 54 (oder anderen Vorrichtungen) in Kontakt ist, hervorstehen, kann eingestellt werden.
Eine Feineinstellung kann vorgesehen werden, indem die Bohrungen 28, 30 mit Gewinde versehen werden und ein komplementäres Schraubengewindeprofil auf die äußeren Oberflächen der Hülsen 40, 42 aufgebracht wird, und die Hülsen mehr oder weniger in die Bohrungen eingeschraubt werden. Zu diesem Zweck können die Gehäusebauteile 19, 19A mit ähnlichen Bohrungen 28A, 30A gebildet werden (welche nicht mit Gewinde versehen sein müssen), durch welche die Hülsen 40, 42 durchführbar sind, um in die Gewindebohrungen 28, 30 in Eingriff zu gelangen, und die äußeren Enden der Hülsen 40, 42 sind in geeigneter Weise mit Schlitzen für Schraubendreher oder Eingriffsmittel für andere Verdrehwerkzeuge ausgebildet, um es zu ermöglichen, dass sie in die gewünschte Position in den Poleinsätzen 32, 34 schraubbar sind.
Obwohl Kragenbereiche 43, 45 jeweils in den Enden der Hülsen 40, 42 vorgesehen sein können, kann der Kragen stattdessen durch radial hervorstehende Finger oder einen radial hervorstehenden ringförmigen Rand in den jeweiligen Enden der Bohrungen 28, (30) in den Poleinsätzen 32, (34) vorgesehen sein.
Die Entfernung der Hülsen, Federn und Kugeln durch die Bohrungen 28A, 30A ermöglicht es, dass die Federn und Kugeln (oder andere mit dem Anker zwischen den Federn und dem Anker in Eingriff bringbare Vorrichtungen) ausgetauscht werden können, wenn sie verschlissen sind oder auf einer geplanten Wartungsgrundlage ersetzt werden. Es wurde jedoch herausgefunden, dass eine geeignete Auswahl von Werkstoffen für die Kugeln (oder andere Vorrichtungen) und den Anker, oder durch eine Beschichtung des letzteren (zumindest dort, wo er auf die Kugeln oder andere Vorrichtungen auftrifft) mit einem geeigneten verschleißfesten Material, in Kombination mit dem weichen Auftreffen, das durch die den Anker abbremsenden Federkräfte, wenn er zum Verschluss mit einem Pol oder dem anderen kommt, erzeugt wird, die Lebensdauer des Gerätes fast auf unbestimmbare Zeit verlängerbar ist.
Eine Schubstange ist mit gestricheltem Umriss bei 47 dargestellt, welche sich durch Anschluss 17 und Durchführung 17A für eine kommunizierende Bewegung des Ankers nach außerhalb des Gerätes erstreckt.
Antriebe, die im Wesentlichen wie in den Zeichnungen dargestellt aufgebaut sind, haben über drei Billionen vollständige Zyklen (d. h. sechs Billionen Bewegungen) ohne irgendeinen wahrnehmbaren Verschleiß und ohne Unterbrechung erzielt. Dieser Erfolg ist dem weichen Auftreffen des Ankers auf den jeweiligen Polen auf Grund der Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie zuzuschreiben, da sich der Anker durch und über seine Mittelstellung hinaus bewegt und der Federeffekt, welcher den Anker von einem Pol zu dem anderen durch seine Mittelstellung beschleunigt hat, sich umkehrt und beginnt, den Anker abzubremsen, wenn er die Mittelstellung verlässt und anfängt, sich auf den anderen Pol hin zu bewegen.
Durch sorgfältige Auswahl von magnetischer Kraft und Federkraft kann so das Auftreffen des Ankers auf jedem Pol an dem Ende seines Verstellwegs von einem zu dem anderen tatsächlich ohne Aufprall erfolgen.
Außerdem wird durch sorgfältige Auswahl des Federwerkstoffes, derart, dass die Deformierung des elastischen Materials, welche die Federkraft bereitstellt, exakt innerhalb seiner elastischen Grenzen liegt, das Material bei Betrieb nicht unzulässig unter Spannung gesetzt, so dass Ermüdung kein Faktor im Leben des elastischen Werkstoffs, der die Feder bildet, ist.

Claims

Antrieb, welcher einen bistabilen Kippsprunganker (2; 20; 100) aufweist, der zwischen zwei Ruhelagen, die jeweils durch ein Polpaar (A, D–B, C; 134, 140–136, 138) festgelegt sind, durch Änderung eines durch zumindest einen Permanentmagneten (1; 112, 114) erzeugten magnetischen Flusses, der den Anker und die Pole verbindet, wenn er eine seiner Ruhelagen einnimmt, verstellbar ist, so dass bewirkt wird, dass der Anker wie eine Wippe in die andere seiner beiden Ruhelagen umspringt, in welchen jeweils ein geschlossener magnetischer Pfad (1, 3, 2, 4; 1, 3, 20, 4; 122, 128, 124, 120) mit einem niedrigen magnetischen Widerstand für den den Anker und zwei der Pole verbindenden magnetischen Fluss erzeugt ist, wobei der permanente magnetische Fluss für sich genommen, welcher den Anker in jeder Ruhelage verbindet, ausreichend ist, um zu bewirken, dass der Anker in der Lage in Kontakt mit denjenigen beiden Polen verbleibt, bis der Fluss, welcher den Anker mit diesen beiden Polen verbindet, so verändert wird, dass dadurch eine Einwirkung auf den Anker zur Ablösung davon und zum Umspringen auf die anderen Pole erzeugt wird, wo er auf Grund des geschlossenen magnetischen Pfades mit niedrigem magnetischen Widerstand, der nun mit diesen anderen Polen gebildet ist, verbleibt, gekennzeichnet durch eine kompressible, Energie umwandelnde und speichernde Vorrichtung (5, 6; 44, 46; 162, 164), welche bei Betrieb in der Endbewegung des Ankers zum Kontakt mit den Polen komprimiert wird und einiges der kinetischen Energie des Ankers in potenzielle Energie umwandelt und die potentielle Energie speichert, während der Anker in Kontakt mit den Polen in jeder Ruhelage bleibt, um zur Verfügung zu stehen, eine beschleuigende Kraft auf den Anker in einer Richtung von der Ruhelage aus zu seiner anderen Ruhelage hin auszuüben, wenn der magnetische Fluss, welcher den Anker verbindet, zu einer Ermöglichung dieses Vorgangs geändert wird.
Antrieb nach Anspruch 1, wobei die deformierbare, Energie umwandelnde und speichernde Vorrichtung zwei elastisch deformierbare Einrichtungen aufweist, von denen eine bei Betrieb deformiert wird, um darin Energie zu speichern, wenn sich der Anker zum Eingriff mit einem Polpaar verstellt, und die andere von diesen bei Betrieb deformiert wird, um darin Energie zu speichern, wenn sich der Anker zum Eingriff mit dem anderen Polpaar verstellt.
Antrieb nach Anspruch 2, wobei die Energie umwandelnde und speichernde Vorrichtung in Ausnehmungen (28, 30; 166, 168) in zwei der Pole angeordnet ist.
Antrieb nach Anspruch 3, wobei ein Druckstück in jeder Ausnehmung angeordnet ist und von der Frontseite des Pols hervorsteht, welcher bei Betrieb mit dem Anker in Eingriff steht und in seine Ausnehmung geschoben wird, um die elastisch Energie umwandelnde speichernde Vorrichtung darin zu komprimieren, wenn sich der Anker dem Pol nähert.
Antrieb nach Anspruch 4, wobei die Ankerbewegung mittels einer Schubstangeneinrichtung (47), welche mit dem Anker während einer Bewegung des letzteren in Eingriff bringbar ist, und welche sich durch eine oder mehrere Durchführungen in den Polen hindurch erstreckt.
Antrieb nach Anspruch 5, wobei eine Durchführung, welche die Schubstangeneinrichtung enthält, auch eine komprimierbare Feder aufweist, und wobei sich die Schubstangeneinrichtung durch die Feder hindurch erstreckt und mit dieser verbunden ist, um von der Feder gegen den Anker drückbar zu sein, und wobei eine Halteeinrichtung die Schubstangeneinrichtung bei Betrieb daran hindert, dem Anker den gesamten Weg zu seiner mittleren Lage zwischen den Polen zu folgen, so dass der Anker von einer Beeinflussung durch die Feder über einen Teil seines Verstellwegs zwischen Polen frei ist.
Antrieb nach Anspruch 6, wobei die komprimierbare Feder als eine deformierbare, Energie umwandelnde und speichernde Vorrichtung dient.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in welchem der oder jeder Permanentmagnet einen Teil des Ankers oder einen Teil des magnetischen Pfades mit niedrigem magnetischen Widerstand außerhalb des Ankers bildet.
Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die bei Betrieb erforderliche Flussänderung zur Auslösung des Umspringens des Ankers von einem Pol zu dem anderen durch Herbeiführung eines Fließens eines kurzen Stromimpulses durch eine elektromagnetische Wicklung (9; 126) verursacht wird, welcher auf den den Anker und die Pole verbindenden Fluss einwirkt, wobei die Richtung des Stroms bei jedem Impuls zur Bewirkung jedes Umspringens entsprechend ausgewählt ist.
Antrieb nach Anspruch 9, wobei der Permanentmagnet, der Anker, die Polteile und der Elektromagnet innerhalb eines Gehäuses aufgenommen sind.
Antrieb nach Anspruch 10, wobei das Gehäuse aus einem magnetisierbaren Werkstoff geformt ist und einen Teil des magnetischen Flusspfades aufweist.
Antrieb nach Anspruch 1, wobei die Energie umwandelnde und speichernde Vorrichtung zwischen dem Anker und einem festen Punkt auf oder in dem Gehäuse oder einem Bauteil, welches an dem Gehäuse angebracht ist oder zumindest einen der Pole aufweist, wirksam ist, oder wobei die elastische Energiespeichervorrichtung von dem Anker getragen wird und sich vom Anker her erstreckt oder zumindest an einem der Pole angebracht ist und sich davon her erstreckt.
Fluid-Durchflussregelventil bzw. -steuerventil, in welchem ein Anker (2; 20) zu einer Verschwenkung relativ zu vier ähnlichen, in zwei Paaren angeordneten Polstücken (AD–BC), welche mit gegenüber liegenden Enden des Ankers verbunden sind, angeordnet ist, wobei jedes Paar einen Nord- und Südpol zu dem Anker darstellt, und in welchem die zwei Paare symmetrisch zu der zentralen Schwenkachse (22) des Ankers angeordnet sind, und wobei der Anker in einer fluiddichten Kammer angeordnet ist, in welche oder aus welcher Fluid über einen ersten Durchgang (13; 18) strömen kann, wobei der Anker die Fluid-Durchfluss regeleinrichtung bzw. -steuereinrichtung aufweist und bei Betrieb eine von zwei Ruhelagen einnehmen kann, wobei er in jeder von beiden in Kontakt mit zwei der Polstücke durch magnetischen Fluss, welcher nur von Permanentmagneteinrichtungen geliefert wird, gehalten ist, und wobei eine Verschwenkung des Ankers von einer Ruhelage in die andere durch vorübergehende Änderung des magnetischen Flusses, welcher den Anker und die Pole verbindet, bewirkt wird, so dass der Anker von Polen abgestoßen wird, mit denen er in Kontakt steht, und von Polen angezogen wird, welche die andere Ruhelage festlegen, und wobei durch einen der Pole hindurch ein zweiter Fluiddurchgang (14; 16A) vorgesehen ist, welcher mit einer Öffnung in der Vorderseite des Pols kommuniziert, wobei die Öffnung von dem Anker so abgedeckt ist, um eine Fluidströmung zwischen dem zweiten Durchgang und der Kammer zu verhindern, wenn sich der Anker in einer seiner zwei Ruhelagen befindet, aber nicht abgedeckt ist, um eine Fluidströmung durch den zweiten Durchgang zu gestatten, wenn der Anker seine andere Ruhelage einnimmt, und wobei jeder der vier Pole eine ähnliche Öffnung darin aufweist, so dass die vier Polvorderseiten einen ähnlichen magnetischen Querschnitt aufweisen, gekennzeichnet durch eine kompressible, Energie umwandelnde und speichernde Vorrichtung (5, 6; 44, 46), welche bei Betrieb in der Endbewegung des Ankers zum Kontakt mit den Polen komprimiert wird und einiges der kinetischen Energie des Ankers in potenzielle Energie umwandelt und die potentielle Energie speichert, während der Anker in Kontakt mit den Polen in jeder Ruhelage bleibt, um zur Verfügung zu stehen, eine beschleuigende Kraft auf den Anker in einer Richtung von der Ruhelage aus zu seiner anderen Ruhelage hin auszuüben, wenn der magnetische Fluss, welcher den Anker verbindet, zu einer Ermöglichung dieses Vorgangs geändert wird.
Ventil nach Anspruch 13, wobei in ihm ein dritter Durchgang (15; 17A) vorgesehen ist, welcher zu der Öffnung in einem der anderen Pole führt, wobei die weitere Polöffnung bei Betrieb abgedeckt ist, wenn der Anker seine andere Ruhelage einnimmt.