-
Die Erfindung betrifft das Gebiet
der elektromagnetischen Antriebe oder Betätiger, die eine Wechselbewegung
erzeugen. Solche Antriebe weisen in bekannter Weise einen Mittelpol
und zwei Seitenpole auf. Der Mittelpol trägt eine Erregerspule sowie
einen beweglichen Teil, der mit dünnen Dauermagneten versehen
ist, die in der Richtung des Eisenspalts magnetisiert sind. Das
deutsche Patent
DE 26 03 681 beschreibt
einen solchen Antrieb. Dieser Antrieb weist eine feste Spule auf,
die einen Wechselfluß erzeugt
und zwei bewegliche Magnete, die sich im entgegengesetzten Sinn
verschieben. Die benutzten elektromagnetischen Phänomene entsprechen
dem Laplace'schen
Gesetz (der Fluß beruht
auf den die Spule querenden Magneten). Die Magnete sind keine Paare
von dünnen
Magneten, die in entgegengesetzten Sinn aneinandergelegt sind, sondern zwei
magnetische Stäbe,
die jeder mit dem von der Spule erzeugten Magnetfluß in Wechselwirkung
treten.
-
Ein solcher Antrieb des Standes der
Technik weist erhebliche Nachteile auf: der Aufbau, welcher dem Laplace'schen Gesetz entspricht,
erlaubt keine Garantie der Linearität des Gesetzes Kraft/Versorgungsstrom der
Spule. Im übrigen
ist der Wirkungsgrad, nämlich
die Kraft pro Watt Stromverbrauch solcher Antriebe gering. Das Fehlen
der Linearität
führt zu
einer Unregelmäßigkeit
des Betriebs und zur Notwendigkeit, eine komplexe elektronische
Regelung vorzusehen, um diese mangelnde Linearität zu beheben.
-
Eine Lösung dieses allgemeinen Problems
brachte das europäische
Patent
EP 93 910 083.0 der
Anmelderin, das einen Antrieb mit drei Statorpolen und einer einzigen,
den Mittelpol umgebenden Spule beschreibt. Diese Lösung besteht
darin, einen vollkommen anderen elektromagnetischen Aufbau zu benutzen, der
nicht dem Laplace'schen
Gesetz folgt. Der vorgeschlagene Aufbau weist zwei Paare von dünnen Magneten
auf, die in abwechselndem Sinn aneinander gelegt sind und sich in
einem Luftspalt verschieben.
-
Bei den Vorrichtungen des Standes
der Technik hat sich gezeigt, daß die Schwingungsfrequenz des beweglichen
Elements begrenzt ist. Sobald sich die Frequenz erhöht, verschlechtert
sich die abgegebene Kraft bezogen auf die aufgenommene elektrische
Leistung und begrenzt die Leistung von Antrieben, die unter Anwendung
des Patents
EP 93 910 083.0 realisiert
wurden. Ziel der Erfindung ist es, die Grenzen der Schwingungsfrequenzen
zu er weitern, indem ein Aufbau vorgeschlagen wird, der eine Erhöhung des
elektromagnetischen Wirkungsgrades ermöglicht.
-
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung
in ihrer allgemeinsten Ausbildung einen elektromagnetischen Antrieb
mit einem festen Stator mit zwei Polen, der mindestens eine die
zwei Pole versorgende Erregerspule aufweist, wobei der Antrieb außerdem ein
bewegliches Teil aufweist, das aus mindestens zwei unabhängigen Elementen
zusammengesetzt ist, die jedes in Richtungen parallel zum Schnitt
der Luftspaltebene und der Mittelebene des festen Stators im entgegengesetzten
Sinn verschiebbar sind, wobei jedes der beweglichen Elemente mit
dünnen,
quer gemäß der Luftspaltrichtung
magnetisierten Dauermagneten versehen ist und der Antrieb dadurch
gekennzeichnet ist, daß jedes
der beweglichen Elemente drei dünne
im abwechselnden Sinn magnetisierte Magnete aufweist, die mit einem
Joch aus weichem Material einstückig
oder nicht einstückig sind,
wobei die dünnen
Magnete des einen der beweglichen Elemente in entgegengesetztem
Sinn zu den entsprechenden dünnen
Magneten des zweiten beweglichen Elements magnetisiert sind und
das Magnetjoch mit dem festen Statorteil den Luftspalt mit der Breite
E definiert.
-
Vorteilhafterweise besteht das bewegliche
Element aus zwei entgegengesetzt beweglichen Teilen, wobei jedes
der beweglichen Teile mit dem festen Stator durch elastisch verformbare
Mittel verbunden ist, um eine Auslenkung gemäß der Bewegungsrichtung zu
ermöglichen
und dabei einen Luftspalt E im wesentlichen konstant zu erhalten.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Verbindung zwischen jedem der beweglichen Teile und
dem festen Stator durch Blattfedern, die sich im wesentlichen senkrecht
zur Ebene des Luftspalts erstrecken.
-
Gemäß einer anderen Variante ist
die Länge
Xc der Statorpole größer oder
gleich der Bewegungsstrecke X des beweglichen Elements vergrößert um
eine Länge
im wesentlichen gleich E.
-
Vorzugsweise ist der Abstand e zwischen
dem Mittelpol und jedem der Seitenpole größer oder gleich 0,5 E, wobei
E die Breite des Luftspalts bezeichnet.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
weist der Antrieb eine Verriegelungskraft auf, die dazu tendiert,
das bewegliche Teil in die Mittelstellung zurückzubringen.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
besteht jedes der beweglichen Elemente aus einem beweglichen Magnetjoch,
das fest verbunden ist mit drei Dauermagneten, die quer in abwechselndem
Sinn magnetisiert sind.
-
Vorzugsweise ist die Gesamtlänge der
drei Magnete eines beweglichen Elements größer als die Länge des
Magnetjochs des beweglichen Elements.
-
Die Erfindung wird erläutert durch
die folgende Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen
bezieht, worin
-
1 und 1' zeigen
schematische Ansichten von zwei Ausführungsvarianten der Erfindung;
-
2 zeigt
eine Ansicht gemäß einem
Querschnitt eines der beweglichen Elemente;
-
3 zeigt
die Verlaufskurve der Rückstellkraft
in Abhängigkeit
von der Länge
der seitlichen Magnete;
-
4 und 4' zeigen
perspektivische Ansichten von zwei abgewandelten Ausführungen
von Antrieben mit zylindrischer Geometrie gemäß der Erfindung;
-
5 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
des beweglichen Teils eines Antriebs gemäß der Erfindung;
-
6 und 6' zeigen
Kurven Kraft/Position jeweils mit und ohne Strom;
-
7 und 7' zeigen
perspektivische Ansichten von zwei Ausführungsvarianten von Antrieben
mit Rohrgeometrie gemäß der Erfindung;
-
8 und 8' zeigen
Explosionsansichten von zwei Ausführungsvarianten von Antrieben
mit Rohrgeometrie gemäß der Erfindung;
-
9 und 9' zeigen
perspektivische Ansichten jeweils einer Ausführungsvariante eines Antriebs
mit linearer Verschiebung gemäß der Erfindung
und seines Stators.
-
Die Erfindung wird zunächst mit
Bezug auf die 1 und 1' beschrieben,
welche schematische Ansichten zweier Ausführungsvarianten der Erfindung
zeigen. Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Betätiger mit
zwei Statorpolen (1, 2). Dieser Betätiger besteht
aus zwei Statorpolen, die in der in 1 dargestellten
Variante jeder eine Erregerspule (3, 4) oder in
der in 1' dargestellten Ausführungsform
eine einzige Spule (5) aufweisen, welche die zwei Pole
speist. Die erfindungsgemäßen Betätiger weisen
auch ein bewegliches Teil (6) auf, das mit dünnen Dauermagneten
versehen ist, die in der Richtung des Luftspalts magnetisiert sind.
-
Zweck der Erfindung ist, einen Betätiger mit
geringem Raumbedarf zu schaffen, der leistungsfähig und zuverlässig für Anwendungen
ist, welche eine Wechselverschiebung mit hoher Frequenz erfordern
und eine magnetostatische Rückhaltekraft
vom gleichen Vorzeichen wie die Rückstellkraft der Aufhängung hat.
-
2 zeigt
eine Ansicht gemäß einer
Querschnittsebene eines der beweglichen Elemente.
-
Das bewegliche Element des erfindungsgemäßen Betätigers besteht
aus mindestens zwei unabhängigen
Teilen, die in einer Richtung parallel zum Schnitt der Luftspaltebene
und der Mittelebene des festen Statorteils in entgegengesetzter
Richtung beweglich sind. Jedes der beweglichen Teile weist drei
dünne Magnete
(10, 11, 12) auf, die in abwechselndem
Sinn quer magnetisiert sind. In dem mit Bezug auf 2 beschriebenen Beispiel sind die Magnete
(10 bis 12) fest verbunden mit einem Magnetjoch
(13) aus weichem Material. Die dünnen Magnete (10 bis 12)
jedes der beweglichen Elemente sind in entgegengesetzter Richtung
zu der der entsprechenden dünnen
Magnete des benachbarten beweglichen Elements magnetisiert, wobei
die Magnetjoche mit dem festen Statorteil den Luftspalt E definieren.
-
In der Mittelstellung liegen die Übergänge zwischen
die Übergänge zwischen
den drei Magneten (10 bis 12) eines der beweglichen
Teile in einer Linie mit den Polen des Stators. La2 ist
daher gleich dem Abstand zwischen den Statorpolen plus der Breite
eines der Pole Xc.
-
Die Länge La1 ermöglicht die
Optimierung der von einem solchen Betätiger erzeugten Kraft bei Begrenzung
des Volumens der Magnete. Die Länge
Xc des zentralen Statorpols ist größer oder
gleich der Bewegungsstrecke X des beweglichen Elements vergrößert um
eine Länge
im wesentlichen gleich E.
-
Um das Kupfervolumen zu erhöhen ohne
die Außenseiten
des Betätigers
zu vergrößern, sind
die zwei Statorpole (1, 2) um einen Teil von geringerem
Querschnitt gegenüber
ihrem eigentlichen Querschnitt verlängert. Die Querschnitte der
so gebildeten Teile werden so festgelegt, daß der Magnetfluß im nominalen
Betrieb ohne Sättigung
hindurchtreten kann.
-
Vorzugsweise besteht das bewegliche
Element (6) aus zwei entgegengesetzt schwingenden beweglichen
Elementen (Annulierung des Gesamtbewegungsbetrages), wobei jedes
der beweglichen Elemente mit dem festen Statorteil durch verformbare
Mittel verbunden ist, um eine Auslenkung in der Bewegungsrichtung zuzulassen,
wobei ein Luftspalt E im wesentlichen konstant bleibt. Um das von
der Auslenkung der zwei Rotoren im entgegengesetzten Sinn erzeugte
Moment zu annulieren, ermöglicht
die Verwendung von zwei Halbrotoren und einem vollständigen Rotor
die Annulierung der Gesamtkomponente des Moments, wie in 5 beschrieben.
-
3 zeigt
die Kurve der Entwicklung der Rückstellkraft
in Abhängigkeit
von der Länge
La1 der seitlichen Magnete (10, 12).
Diese Kurve gibt die prozentuale Erhöhung der Kraft, die auf den
Strom Fni zurückzuführen ist, in Abhängigkeit
von der Länge
La1 des Magneten im Verhältnis zu der durch einen unipolaren
Magneten von der Länge
La2 (für
La2 = 9 mm) erzeugten Kraft wieder.
-
Wie 3 zeigt,
steigt die für
einen gegebenen Strom erzeugte Kraft mit der Vergrößerung von
La1 sehr rasch an, was eine Unterschreitung
des Magneten rechtfertigt, der zum Zweck der Minimierung des Volumens
des Magneten und damit der Kosten nicht unbedingt der größtmögliche sein
muß, da
die Kraft sich ebenfalls rasch einem Grenzwert nähert. 3 zeigt auch die Entwicklung der Rückstellkraft
F0 (stromlose Kraft), die dazu tendiert,
den Rotor in Mittelstellung zurückzubringen.
-
Für
einen erfindungsgemäßen Betätiger ist
die erzeugte Kraft gleich:
worin B
r die
Remanenz des Magneten, L seine Dicke, Z die Breite des Magneten,
E der den Magneten enthaltende Luftspalt und nI der Strom in der
Spule oder den Spulen ist.
-
Die Verschiebung der beweglichen
Elemente ist im Prinzip linear. Jedoch kann der erfindungsgemäße Betätiger auch
in einer zylindrischen Form realisiert werden. Die Verschiebung
der beweglichen Teile erfolgt in diesem Fall gemäß Kreisbögen, die in einen Zylinder
eingeschrieben sind, der koaxial mit dem zylindrisch geformten Luftspalt
ist.
-
Die 4 und 4' zeigen
perspektivische Ansichten zweier Ausführungsformen von Betätigern mit
zylindrischer Geometrie gemäß der Erfindung.
-
Die Varianten unterscheiden sich
einfach durch die Anzahl der Spulen, nämlich eine einzigen Spule für die in 4 gezeigte Variante und
zwei Spulen für
die in 4' gezeigte Variante.
-
In dieser Ausführungsform mit zylindrischer
Geometrie besteht das bewegliche Teil (6) aus zwei beweglichen
Elementen, die sich drehend im entgegengesetzten Sinn verschieben.
Jedes der beweglichen Elemente wird gebildet von einem Magnetjoch
(13, 23) in Form eines Kreisbogens, an dem jeweils
die dünnen Magnete
(10, 11, 12) und (20, 21, 22)
befestigt sind. Diese Magnete haben gleichfalls eine Kreisbogenform. Die
Magnetisierung ist radial gerichtet und abwechselnd gleichzeitig
für die
an ein und demselben Joch (13) befestigten Magnete (10 bis 12)
und für
die zwei benachbarten Magnete (10, 20) oder (11, 21)
oder (12, 22), die an zwei benachbarten Magnetjochen
(13, 23) befestigt sind.
-
Der Stator weist zwei Schenkel auf,
welche Statorteile (1, 2) bilden, die durch einen
gebogenen Abschnitt (25) verbunden sind.
-
Die seitlichen Magnete (10, 20)
und (12, 22) stehen über die Magnetjoche (13, 23)
hinaus. Die Gesamtlänge
der an ein und demgleichen Joch befestigten Magnete (10 bis 12) übersteigt
die Länge
dieses Jochs (13).
-
5 zeigt
eine abgewandelte Ausführungsform
des beweglichen Teils eines Betätigers
gemäß der Erfindung.
In dieser Variante besteht das bewegliche Teil aus drei beweglichen
Stücken
(13, 23, 33), die in drei Teilen realisiert
sind, um das störende
Torsionselement zu annulieren. Die zwei äußeren beweglichen Teile (13, 33)
sind mechanisch gekoppelt. Die Breite des beweglichen Mittelelements
(33) ist gleich der Summe der Breiten der beweglichen seitlichen
Elemente. Vorteilhafterweise ist die Verbindung zwischen jedem der
beweglichen Elemente und dem Statorteil fest und erfolgt durch Blattfedern,
die sich im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Luftspalts erstrecken.
-
Die 6 und 6' zeigen
die Kurven Kraft/Position jeweils mit und ohne Strom. Die zwei Typen
von Betätigern
zeigen eine magnetostatische Kraft, die bestrebt ist, die beweglichen
Teile in die Mittelstellung zurückzubringen.
Diese Kraft kann verwendet werden, um einen Teil der Steilheit der
Blattfedern zu kompensieren, wodurch die Spannungen verringert werden. 6 zeigt die von einem solchen
Betätiger
erzeugte Kraft in Abhängigkeit
von der Position der beweglichen Elemente. Die Kraft ist angegeben
für einen
Strom nl nicht Null und für
einen Strom Null (magnetostatische Kraft). In 6 und 6' sind die
zwei Kräfte
(jeweils mit und ohne Strom) für
mehrere Längen
La1 der Magnete angegeben.
-
Die 7 und 7' zeigen
perspektivische Ansichten von zwei Varianten der Ausführungsform
von Betätigern
mit rohrförmiger
Geometrie gemäß der Erfindung.
Der Betätiger
hat eine axiale Symmetrie. In diesem Fall sind die Statorstuktur
(40) sowie der Rotor vom zylindrischen Typ. Der Rotor (41)
ist beweglich, d. h. verschiebbar gemäß einer Achse Y, die der Achse
der Krümmung
der zylindrischen Statorstruktur und des Rotors entspricht. In dem
in 7 gezeigten Beispiel
ist der Stator ein rohrförmiges
Teil aus Weicheisen mit einem ringförmigen Innensitz, in dem die
Erregerspule (5) angeordnet ist. Die zwei Enden (1, 2)
bilden die Statorpole.
-
In dem in 7' dargestellten
Beispiel ist der Stator ein Teil aus Weicheisen von zylindrischer
Form mit einem äußeren ringförmigen Sitz,
in dem die Erregerspule (5) angeordnet ist. Die zwei Enden
(1, 2) bilden die Statorpole.
-
Die zwei beweglichen Teile sind an
Blattfedern aufgehängt.
-
Die 8 und 8' zeigen
Explosionsansichten von zwei Ausführungsvarianten von Betätigern mit
rohrförmiger
Geometrie gemäß der Erfindung,
die der Schnittansicht der 7 entsprechen.
-
Der Stator (40) ist gebildet
von einem zylindrischen Stück
aus Weicheisen, das in seinem Mittelteil (42) einen Abschnitt
von geringeren Querschnitt aufweist. Die Spule ist in dem von diesem
Teil mit geringerem Querschnitt begrenzten Hohlraum angeordnet.
-
Die magnetisierten Bauteile sind
gebildet von drei kreisbogenförmigen
Magneten, die radial magnetisiert sind. Der mittlere Magnet (11, 21)
ist länger
als die zwei seitlichen Magnete (10, 20 und 12, 22).
Die magnetisierten Bauteile schwingen im entgegengesetzten Sinn.
-
Das Magnetjoch kann in einem Stück (13)
geformt sein, wie in 8' gezeigt.
In diesem Fall ist es fest. Das Magnetjoch für den Rückfluß ist in 8' ein
mit den Magneten nicht fest verbundenes Rohr. Diese dünnen Magnete
sind in abwechselndem Sinn im Sinn der Dicke magnetisiert. Die Magnete
sind vom isotropen Typ und vorzugsweise vom Typ seltene Erden, wie
Magnete aus Neodym-Eisen-Bor NdFeB mit Kunststoffbindemittel.
-
Sie können auch aus zwei Teilen zusammengesetzt
sein, welche Halbrohre bilden. In diesem Fall können sie jeder mit einer der
magnetisierten Strukturen fest verbunden sein, wie in 8 dargestellt.
-
Die 9 und 9' zeigen
perspektivische Ansichten jeweils einer Variante der Ausführungsform
eines Betätigers
mit linearer Verschiebung gemäß der Erfindung
und seines Stators. In der 8 und 9 ist die Länge des
Magnetjochs nicht notwendigerweise gleich der Gesamtlänge der
beweglichen Stücke,
sondern kann kleiner als die Gesamtlänge der drei Magnete sein und
ist in dem in 8 gezeigten
Beispiel gleich der Länge
des Stators.
-
Es ist zweckmäßig, die beweglichen Stücke in einem
kleinen Abstand von der Fläche
der Statorpole zu halten und zwar für die gesamte Nutzstrecke C.
Diese Funktion kann gewährleistet
werden durch eine verformbare Verbindung oder durch eine elastische
Verbindung. In dem in Bezug darauf beschriebenen Beispiel wird diese
Funktion durch Blattfedern erhalten, die in abwechselnder Biegung
arbeiten mit Überlagerung
einer Zugkraft, die verbunden ist mit dem mittleren absoluten Wert
der Induktion im Luftspalt, und sie bestehen aus dünnen Blättern aus
Federeisen, wie Phynox (Handelsname), die sich senkrecht zur Ebene
der Dauermagnete erstrecken.
-
Die Form und Dicke der Blattfedern
sind so festgelegt, daß die
beweglichen Stücke
in einem guten Abstand vom Stator gehalten werden, daß die durch
die Verschiebung hervorgerufene Spannung ausgehalten wird und gegebenenfalls
die Resonanzfrequenz des beweglichen Stücks festgelegt wird. Um die
Ermüdung
in Folge der wechselnden Biegung besser aufzufangen, kann man mehrere
Blattfedern parallel anordnen.
-
In 8 ist
das zweite bewegliche Stück
identisch mit dem ersten beweglichen Stück, mit der Ausnahme daß die Magnete
in entgegengesetzten Richtungen zu den benachbarten Magneten des
ersten beweglichen Stücks
magnetisiert sind, wenn alle zwei in der mittleren Ruhestellung
bezüglich
des Statormittelpols sind.
-
Die zwei beweglichen Stücke verschieben
sich entgegengesetzt, wegen der Umkehrung der Polaritäten der
Magnete.
-
Es sei bemerkt, daß die Verwendung
von zwei beweglichen Stücken,
die in entgegengesetzter Phase schwingen, die Verringerung des Flusses
ermöglicht,
welcher durch die Schenkel des Stators geht. Dadurch können die
magnetischen Verluste und damit der Raumbedarf und Masse des Stators
verringert werden, wie 8' zeigt,
wo für
eine Verschiebung von jeweils +Z und –Z des beweglichen Stücks (1)
und des beweglichen Stücks
(1') der
auf die Magnete zurückgehende
Fluß im
Betätiger
der 8 dargestellt ist.
Der durch den Mittelkern des Stators gehende Fluß geht zurück auf das Ende des Magneten
(2) der Länge
Z, das unten am beweglichen Stück
(1) liegt, und der sich über das Ende des Magneten (3)
schließt,
der ebenfalls die Länge
Z hat, jedoch eine zu (2) entgegengesetzte Magnetisierung.
Das gleiche gilt für
das bewegliche Stück
(1'), jedoch geht
der Fluß wegen
der umgekehrten Polaritäten
von (2) und (2')
sowie von (3) und (3') im Mittelkern des Stators im
umgekehrten Sinn zu dem vom beweglichen Stück (1) erzeugten Fluß, woraus
die Annulierung des Flusses in der Mitte des Stators folgt.
-
Die Erfindung ist im vorangehenden
anhand von Beispielen beschrieben. Selbstverständlich kann der Fachmann verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung realisieren ohne damit den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
