DE69820998T2

DE69820998T2 - Elektromechanischer doppelhubmagnet

Info

Publication number: DE69820998T2
Application number: DE69820998T
Authority: DE
Inventors: Johan Olsson
Original assignee: SWEDISH CONTROL SYSTEM AB; SWEDISH CONTROL SYSTEM AMAL AB
Current assignee: SWEDISH CONTROL SYSTEM AB; SWEDISH CONTROL SYSTEM AMAL AB
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: SE9703198D0; EP0970488B1; WO1999014768A3; EP0970488A2; SE9703198L; JP3151220B2; US6246563B1; WO1999014768A2; KR100370281B1; JP2000514959A; DE69820998D1; KR20000068906A; CN1159736C; SE509806C2; CN1237266A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator, der eine schnelle lineare Bewegung mit einer moderaten Hublänge gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 aufweist.
STAND DER TECHNIK
Es ist vorbekannt, dass Spulen unter dem Einfluss von magnetischen Feldern bewegbar sind. Ein derartiges Beispiel kann in Lautsprechern mit stationären Permanentmagneten gefunden werden, die eine bewegliche Schwingspule aufweisen, die in dem durch den Permanentmagneten induzierten Magnetfeld angeordnet ist. Die Wicklung der Schwingspule ist mit einer externen Strom- bzw. Leistungsquelle verbunden und durch eine Stromsteuerung könnte der Spule die beabsichtigte Bewegung vermittelt werden. Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die externen Verbindungen beweglich sind und einer potentiellen Unterbrechung ausgesetzt sind.
Aus US,A,5294850 ist ferner eine Vorrichtung bekannt, womit ein magnetischer Feldeffekt Raketen starten könnte. In dieser Lösung wird eine stationäre Spule verwendet, die auf eine Spule einwirken kann, die auf oder in Kontakt mit der zu startenden Rakete angeordnet ist. Der beweglichen Spule fehlen irgendwelche externe Kontakte und die Wicklung ist kurzgeschlossen, oder alternativ in mehrere Spulensegmente unterteilt, wobei das elektromagnetische Feld durch den Strom in der stationären Spule gesteuert wird.
In US,A,1066081 ist ein einer alternativen Ausführungsform, d. h. 4 und 5, ein Relais gezeigt, das eine stationäre und eine bewegliche Spule aufweist. Die Wicklung der beweglichen Spule ist mit einer stationären Schaltungsunterbrecher und die bewegliche Spule wird in einer gesteuerten Weise in einer Richtung durch den Schaltungsunterbrecher und das von der stationären Spule induzierte magnetische Feld beeinflusst.
Eine herkömmliche Lösung nutzt einen stationären Solenoid und einen beweglichen Eisenkern, um einen doppeltwirkenden bzw. zweifachwirkenden Aktuator zu erhalten, wobei der Eisenkern unter Verwendung einer Rückstellfeder in Richtung auf eine erste Endposition gezwungen wird.
Wenn der Eisenkern in Richtung der zweiten Endposition in Gang gesetzt werden soll, dann muss die Kraft des elektromagnetischen Feldes die gegenwirkende Kraft von der Rückstellfeder überwinden und eine Bewegung der Masse des Eisenkerns initiieren. Dies verursacht aufgrund der eher großen Masse des Aktuators und der Notwenigkeit, die Kraft von der Rückstellfeder zu überwinden, eine Verschlechterung der Reaktion.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektromagnetischen Aktuator zu erhalten, der für die meisten Situationen verwendbar ist, in denen eine Doppelwirkung und schnelle Bewegung mit einer moderaten Hublänge nachgefragt wird.
Eine andere Aufgabe besteht darin, einen elektromagnetischen Aktuator mit einer schnellen Reaktion zu erhalten.
Noch eine andere Aufgabe besteht darin, einen elektromagnetischen Aktuator ohne irgendwelche elektrische Verbindungen mit dem beweglichen Teil des elektromagnetischen Aktuators zu erhalten.
Eine Aufgabe einer weiteren verbesserten Ausführungsform besteht darin, ein Rückkoppelsignal der Position des Aktuators zu erhalten, wobei eine verbesserte Steuerung mit erhöhter Bewegungsgenauigkeit des Aktuators erhalten werden könnte.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der erfinderische elektromagnetische Aktuator ist durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gekennzeichnet.
Durch den erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator könnte ein doppeltwirkender elektromagnetischer Aktuator mit geringem Eigengewicht aller bewegenden Teile herhalten werden und der eine schnelle Reaktion des Aktuators geben wird. Der elektromagnetische Aktuator wird ebenfalls keine elektrischen Verbindungen mit dem beweglichen Teil aufzeigen, was einem hohen Grad an Zuverlässigkeit ergeben wird.
Andere unterscheidende Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den charakterisierenden Teilen anderer Ansprüche und folgender Beschreibung von Ausführungsformen ersichtlich werden. Die Beschreibung der Ausführungsformen erfolgt unter Bezugnahme auf Figuren aus der folgenden Figurenliste.
FIGURENLISTE
1 zeigt in einer Seitenansicht einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator,
2 zeigt den elektromagnetischen Aktuator in 1, wie er von oben gesehen wird,
3a, 3b and 3c zeigen jeweils den Strom durch die stationäre Spule, den Strom durch die bewegliche Spule und die Kraft, die durch die bewegliche Spule induziert wird,
4 zeigt eine analoge Schaltung, um die Position der beweglichen Spule zu erfassen,
5 zeigt eine alternative Lösung für den Aktuator.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein erfindungsgemäßer elektromagnetischer Aktuator gezeigt. Eine stationäre Spule 1, 6 ist auf einen Kern 5, vorzugsweise ein Ferritkern, gewickelt. In dieser Ausführungsform ist die stationäre Spule in zwei in Serie geschaltete Spulensegmente aufgeteilt, wobei jedes um einen Schenkel des Kerns gewickelt ist, der zwei parallele Schenkel aufweist.
In einer alternativen Ausführungsform könnte der Kern aus laminierten Metallblechen hergestellt sein. Jedoch wird ein Ferritkern, obwohl sogar teurer, bevorzugt.
Eine steuerbare bzw. regelbare Leistungsquelle bzw. Stromquelle 7 ist mit der stationären Spule verbunden, die den Strom I_p durch die stationäre Spule steuert bzw. regelt.
Eine Spule 2, die in Bezug auf die stationäre Spule beweglich ist, ist auf einen Spulenkörper 3 gewickelt. Der Spulenkörper wird bevorzugt durch einen dritten Schenkel des Kerns 5 geführt, wobei der dritte Schenkel parallel zu den Schenkeln ist, auf denen die stationäre Spule gewickelt ist und der dritte Schenkel zwischen diesen zwei Schenkeln angeordnet ist.
Der Spulenkörper und die Spule, die darauf gewickelt ist, sind in einer Luftspalte 4 zwischen den zwei Schenkeln der stationären Spule angeordnet.
Um die bewegliche Spule auf dem spulenführenden Schenkel des Kerns zu halten, ist der Spulenkörper 3 mit einem Flansch 10 an dem unteren Teil davon wie in 1 gezeigt versehen. Die obere und untere Oberfläche des Flansches 10 dienen als ein erster und zweiter Stoppansatz, von denen jeder mit einem ersten bzw. zweiten Stoppansatz des Kerns interagiert. Der erste Stoppansatz 11 des Kerns ist durch zwei radial und einwärts gerichtete Vorsprünge der Kernschenkel gebildet, auf denen die Kernsegmente gewickelt sind. Die ersten Stoppansätze 11 begrenzen die Bewegung der beweglichen Spule in einer ersten vorstehenden Position.
Der zweite Stoppansatz 12 des Kern begrenzt die Bewegung der beweglichen Spule in einer zweiten eingezogenen Endposition der beweglichen Spule 2 in Bezug auf die stationäre Spule 1, 6.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Spulenkörper zylindrisch, sichtbar in 2, und weist einem integrierten Aktuatorarm 8 auf. Dem Spulenkörper könnte alternativ ebenso eine andere Gestalt gegeben sein, zum Beispiel mit einem rechteckigen oder polygonalen Querschnitt ohne die Erfindung zu verlassen.
Die Spule, die auf die bewegliche Spule gewickelt ist, ist durch eine Diode 9 kurzgeschlossen, wobei die Diode lediglich Strom in eine Richtung leitet. Diese Diode könnte durch irgendeinen äquivalenten Bauteiltyp ersetz werden, wobei das Bauteil lediglich Strom in einer Richtung in der zweiten beweglichen Spule leiten wird, wobei der Strom durch ein elektromagnetisches Feld, das durch den Strom durch die erste und stationäre Spule erzeugt wird, induziert wird.
Die Funktion des elektromagnetischen Aktuators wird unter Bezugnahme auf die Strom- und Kraftgraphen in 3a–3c als eine Funktion der Zeit detailliert beschrieben. Diese prinzipiellen Graphen wurde nach Praxistests einer Ausführungsform erhalten, die der in 1 gezeigten Ausführungsform entspricht. In 3a ist der Strom I_p durch die stationäre Spule 1, 6 gezeigt, deren Strom in einer herkömmlichen Weise durch die verbundene Stromquelle 7 gesteuert wird.
In 3b ist der Strom durch die bewegliche Spule 3 gezeigt, deren Strom durch das elektromagnetische Feld induziert wird, das durch die stationäre Spule erzeugt wird. In 3c ist die Kraft F gezeigt, die an dem Aktuatorarm 8 erhalten wird, wenn die bewegliche Spule 2 durch das Magnetfeld in dem Luftspalt 4 beeinflusst wird.
In der gezeigten Ausführungsform ist ein erster "Zugzyklus" definiert, der einer Bewegung der beweglichen Spule einwärts, d. h. in einer Abwärtsrichtung in 1, entspricht. Zu Beginn des Zugzyklus ist der Strom I_p, der durch die stationäre Spule 5, 6 initiiert wird, die ein Magnetfeld erzeugt, das wiederum einen Strom I_d in die bewegliche Spule 2 induzieren wird. Der Strom in der stationären Spule erreicht seinen Maximalwert zu dem Zeitpunkt A, zu dessen Zeit der Strom in der beweglichen Spule bzw. die Kraft, die durch den Aktuatorarm 8 erhalten wird, ebenso Maximalwerte erreichen. Kurz nach dem Zeitpunkt A wird eine Verringerung des Stroms I_p durch die stationäre Spule initiiert. Die Verringerung wird darin resultieren, dass ebenfalls der Strom durch die bewegliche Spule abnehmen wird. Die Kraft F, die entwickelt wird, wird folgender Gleichung folgen: F = B·Id·L,wobei B die stärke des Magnetfelds und L die Länge des Leiters ist, der in dem Magnetfeld angeordnet ist und wobei eine Kraft während des gesamten Zyklus entwickelt wird.
Um eine kontinuierliche Anwendung einer Kraft in Richtung der eingezogenen Position aufrechtzuerhalten, wird diese Sequenz kontinuierlich wiederholt. In der Figur sind jedoch lediglich zwei Sequenzen während des Zugzyklus gezeigt.
In dem "Schubzyklus", der einer Bewegung der beweglichen Spule auswärts, d. h. in einer Aufwärtsrichtung in 1, entspricht, besteht ein Strom, der in der stationären Spule in der ungekehrten Richtung initiiert wird. Dieser Strom wird ein Magnetfeld erzeugen, das eine in Bezug auf den Zugzyklus entgegengesetzte Richtung aufweist und dessen Magnetfeld geeignet ist, einen Strom in der beweglichen Spule zu induzieren, wenn das Feld und der Strom abnehmen. Unmittelbar nach dem Zeitpunkt B ist der Strom durch die stationäre Spule einer Verringerung unterworfen, während das Magnetfeld beginnt, einen Strom durch die bewegliche Spule in der gleichen Richtung wie der Strom, der während des Zugzyklus induziert wird, zu induzieren. Eine Kraft F, die der gleichen Kraftgleichung wie zuvor erwähnt folgt (F = B·I_d·L), wird erhalten und ist aufgrund des Wechsels des Vorzeichens von B in die in Bezug auf den Zugzyklus entgegengesetzte Richtung gerichtet. In der Figur sind jedoch lediglich zwei Sequenzen während des Schubzyklus gezeigt.
Versuche haben ebenfalls gezeigt, dass eine Positionsbestimmung der beweglichen Spule durch Erfassen von @, siehe 3, erfolgen könnte, das dI_p/dt entspricht, d. h. der Wert der Ableitung erster Ordnung des Stroms durch die stationäre Wicklung. Der Parameter @ nimmt mit abnehmendem Ausgesetztsein der beweglichen Spule in dem Magnetfeld ab. Diese Positionsbestimmung könne vorzugsweise mittels einer herkömmlichen analogen Schaltung ausgeführt werden.
In 4 ist im Prinzip eine derartige grundlegende analoge Schaltung gezeigt. In dieser Ausführungsform wird ein einfacher Operationsverstärker OP verwendet, der durch den Widerstand R und der Kapazität C verbunden ist, so dass das Eingangssignal I_P das Ausgangssignal dI_p/dt erzeugen wird. In praktischen Implementierungen wird die Schaltung irgendeine zusätzliche Logik erfordern, um eine korrekte Analyse und Abtastung des Signals zu erhalten.
Der erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuator könnte ebenfalls in einer weiteren verbesserten Ausführungsform in einer Position gesteuert werden, wobei das erzeugte Positionssignal als ein Rückkoppelsignal der Position verwendet wird. Durch Modulation der Pulsbreite während des Zug- oder Schubzyklus könnte dem Aktuator irgendeine Position zwischen den zwei Endpositionen vermittelt werden.
Um sicherzustellen, dass eine vorbestimmte geringste Größenordung an Kraft von dem Aktuator erhalten werden soll, könnte der Strom I_p durch die primäre Spule auf einem höheren Pegel in Hinsicht auf einen absoluten Wert gesteuert werden, d. h. auf einem Pegel, bei dem I_p es nicht gestattet ist, auf einen Nullpegel reduziert zu werden. Dies könnte zu einer verbesserten Effizienz beitragen.
Die Erfindung könnte innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche auf einige Arten modifiziert werden. Dem Kern könnte als ein Beispiel eine andere Gestalt gegeben werden und die stationäre Spule könnte lediglich ein Spulensegment aufweisen. In 5 findet sich ein Beispiel einer Ausführungsform, die zur Herstellung angepasst ist, in der die primäre Wicklung 6' auf einen mittigen Schenkel des Kerns 5' konzentrisch mit der sekundären Wicklung 2' gewickelt ist. Diese Ausführungsform wird eine verbesserte Transformatorkopplung ergeben, in der dem Kern eine in Bezug auf die x-Achse axialsymmetrische Form gegeben werden könnte. Zugleich ist der primären Wicklung eine verbesserte Schutzumhüllung gegeben.
Im Fall einer Implementierung in leistungsfordernden Anwendungen könnte das Gleichrichterelement durch MOSFET Technologie ersetzt werden, um irgendwelche Leistungsverluste durch das Gleichrichterelement zu verringern. Durch die Implementierung der MOSFET Technologie könnte der Potentialverlust in der Leitungsrichtung in einer Größenordung von 0.7 Volt auf lediglich einen Bruchteil davon reduziert werden.

Claims

Elektromagnetischer Aktuator für eine schnelle lineare Bewegung mit einer begrenzten Hublänge, mit einer stationär angeordneten ersten Spule (1, 6) und einer zweiten beweglichen Spule (2), wobei die Wicklung der stationären Spule mit einer steuerbaren Leistungsquelle bzw. Stromquelle (7) verbunden ist und die Wicklung der beweglichen Spule ohne irgendeinen galvanischen Kontakt mit einer äußeren Leistungsquelle kurzgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Wicklung der beweglichen Spule über ein Gleichrichterelement (9) kurzgeschlossen sind, wobei das Gleichrichterelement nur Strom ermöglicht, der in einer Richtung in der Wicklung der beweglichen Spule aufgebaut wird, wobei der Strom in der beweglichen Spule durch ein elektromagnetisches Feld induziert wird, das durch einen Strom durch die stationäre Spule (1, 6) erzeugt wird.
Elektromagnetischer Aktuator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement (9) eine Diode ist, vorzugsweise eine Diode eines Halbleiter-Typs.
Elektromagnetischer Aktuator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule auf einen Kern (5) gewickelt ist, vorzugsweise einen Ferrit-Kern, und wobei die zweite bewegliche Spule auf einem Spulenwickelkörper (3) angeordnet ist, der wiederum mit einem Luftspalt an und geführt durch einen Vorsprung des Kerns angeordnet ist.
Elektromagnetischer Aktuator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement (9), das den Strom der beweglichen Spule gleichrichtet, mit dem Spulenwickelkörper (3) und der Wicklung (2) der beweglichen Spule integriert angeordnet ist.
Elektromagnetischer Aktuator gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenwickelkörper (3), auf dem die zweite bewegliche Spule fest angeordnet ist, ebenfalls einen integrierten Aktuatorarm (8) aufweist.
Elektromagnetischer Aktuator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenwickelkörper (3) einen ersten und zweiten Stopp-Ansatz (10) aufweist, die in Zusammenwirkung mit einem ersten bzw. zweiten Stopp-Ansatz an dem Kern (11 bzw. 12) die Bewegung der beweglichen Spule zwischen einer ersten und zweiten Stopp-Position in Bezug auf die erste stationäre Spule begrenzen.
Elektromagnetischer Aktuator gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung der ersten Spule des Aktuators mit Erfassungsmitteln (C, R, OP) verbunden ist, durch die eine Erfassung eines Werts, welcher der Änderungsgeschwindigkeit des Strom Ip entspricht, durch die Wicklung durchgeführt werden könnte, wobei der Wert, d. h. dIp/dt, zum Zwecke einer Bestimmung der Spulenposition des Aktuators verwendet wird.