EP2628163B1 - Elektromagnetischer linearaktor - Google Patents

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EP2628163B1
EP2628163B1 EP11847894.0A EP11847894A EP2628163B1 EP 2628163 B1 EP2628163 B1 EP 2628163B1 EP 11847894 A EP11847894 A EP 11847894A EP 2628163 B1 EP2628163 B1 EP 2628163B1
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EP
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armature
coil
stator
excitation
linear actuator
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Arno Mecklenburg
Rainer Schneider
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MSM Krystall GbR
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    • H01H33/666—Operating arrangements
    • H01H33/6662—Operating arrangements using bistable electromagnetic actuators, e.g. linear polarised electromagnetic actuators

Definitions

  • the invention relates to the field of electromagnetic linear actuators, for example for clamping and holding springs in spring-loaded actuators.
  • the mode of action of electromagnetic actuators is based on the effect of the Lorentz force and the reluctance force (also Maxwell's force).
  • Actuators which are constructed in the manner of a solenoid, can be used for operating machine levers, valves, sliders, switches, etc.
  • Solenoids are electromagnets comprising armature, stator and coil (s). They are able to generate high holding power with low power consumption and are of simple and robust construction. At high strokes, however, their electrical efficiency is low because of the large air gap associated with the large stroke. In the simplest approximation (no stray field, no saturation) the current required to produce a certain force is proportional to the length of the air gap, and the power loss increases quadratically with the current. The actual conditions are even less favorable.
  • the force-displacement characteristic of a solenoid can be so influenced (is referred to as characteristic control) that the reluctance force acting on the armature is approximately independent of the path.
  • Such actuators are referred to as "proportional magnets". If the magnetic force acts on the armature against the restoring force of a spring, the position of the armature can be approximately proportional to the armature current with a suitable design. For long strokes, however, proportional solenoids provide only relatively small forces. In addition, proportional solenoids in the attracted state can only generate comparatively small holding forces (compared with solenoids without characteristic influencing).
  • plunger coils are constructed in the manner of a plunger coil and are also referred to as electrodynamic actuators.
  • immersion coils are more sensitive and expensive designs.
  • plunger coils can generate nearly constant (Lorentz) forces over the entire stroke, these must be absorbed by the freestanding and comparatively filigree coil.
  • the cooling of plunger coils can be a technical challenge, since the coil has to be suspended in a mobile manner and should be as light as possible for achieving high dynamics. (An example is an electrodynamic loudspeaker). It can therefore often not be firmly connected to a (massive) heat sink.
  • immersion coils in contrast to solenoids, are not able to generate (holding) forces at low power consumption. For applications where as low as possible Power consumption, a large (holding) force to be maintained, they are less suitable.
  • EP 1 655 755 discloses an electromagnetic linear actuator according to the preamble of claim 1.
  • the object underlying the invention is to find an electric linear actuator, which can produce similar high holding forces as a solenoid (without characteristic influencing), but even with long strokes over the entire travel one Can generate force in the order of the holding force.
  • the linear actuator comprises a frame (stator) which is at least partially made of soft magnetic material; an armature which is at least partially made of soft magnetic material and which is mounted on the frame such that the armature is movable along a longitudinal axis relative to the frame.
  • Anchor and frame are formed such that there is a gap between anchor and frame along the longitudinal axis in an open position, and in a closed position anchor and frame abut each other so that the gap is closed.
  • a first armature coil is connected to the armature such that a force acting on the first armature coil force is transferable to the armature.
  • the linear actuator further comprises means for generating a field magnetic field at least partially guided by the frame and armature and directed such that the first armature coil, when energized, acts on a force transmitted to the armature To close the gap.
  • Frame, armature and excitation magnetic field are designed such that at closed gap between the frame and anchor a holding force acts.
  • linear actuators according to the present invention have the advantage of being able to generate a force in the order of magnitude of the holding force, even with long strokes over the entire travel range. This can be achieved according to the above-described example by one or more of the armature wound coil (s) in addition to the force acting on the armature reluctance force on the armature, so to speak "push” when the reluctance force of the armature because of wide open air gap is still low.
  • the means for generating the exciting field next to the first armature coil comprise an associated, mechanically connected to the frame excitation coil, wherein the first armature coil and the associated excitation coil, when energized, generate for opposing magnetic fields. At least in the open position, a superimposition of these magnetic fields leads to a radial (transverse to the longitudinal direction) magnetic flux (excitation field), which coincides with the first Armature coil can interact. In the open position, the first armature coil and its associated excitation coil are arranged adjacent to each other such that when energized coils, the excitation field with the first armature coil interacts such that acts on the first armature coil, a gap closing force in the longitudinal direction.
  • a plurality of pairs can be accommodated in an actuator, for example in the sense of a mechanical series connection.
  • an armature coil can be provided which - as mentioned above - generates its excitation field itself.
  • a holding coil can be arranged on the frame, which generates a holding force when the gap is closed.
  • the holding coil can also be replaced by permanent magnets. The following is, partly synonymous, of "holding” and "Zugspulen” spoken. This always means coils which serve the purpose of applying a reluctance force to a soft magnetic moving part of the drive (usually the armature).
  • pull coil illustrates this insofar as reluctance forces on soft magnetic parts always appear attractive.
  • the term of the holding coil emphasizes that, if suitably dimensioned, a tension coil is able to hold the actuator against a restoring force in one position. All holding coils in the context of this invention are pull coils.
  • the actuator Since the force of the actuator over the entire can be in the order of magnitude of the holding force, the actuator is particularly well suited for tensioning springs.
  • the spring (s) can (then) by means of only a small holding current or (when using permanent magnets) are held even in the energized state in the tensioned state.
  • FIG. 1 is a representation of a simple example of a linear actuator according to the invention ( Fig. 1a : open position, Fig. 1b : closed position).
  • Fig. 1a open position
  • Fig. 1b closed position
  • the arrangement shown is rotationally symmetrical (longitudinal axis 1 as the axis of symmetry).
  • a rotationally symmetrical structure of the actuator is not mandatory.
  • the linear actuator comprises a frame 10 (hereinafter also referred to as "stator") and an armature 20. Both armature 20 and stator 10 are at least partially made of soft magnetic material in order to conduct magnetic fluxes.
  • the armature 20 is mounted on the stator 10 such that the armature 20 along the longitudinal axis 1 relative to the stator 10 is movable.
  • Anchor 20 and stator 10 are further designed such that along the longitudinal axis 1 between the armature 20 and stator 10 in an open position, a gap L A between armature 20 and stator 10th is present and in a closed position armature 20 and stator 10 abut each other, so that the gap L A is closed.
  • the linear actuator according to the example FIG. 1 Finally, it comprises means for generating a field magnetic field, which is at least partially guided by the stator and armature and directed so that the first armature coil 20, when energized, a force F M acts, which is transmitted to the armature 20 to to close the gap L A (see Fig. 1b ).
  • Stator 10, armature 20 and exciter magnetic field are designed such that when the gap L A between the stator 20 and armature 10 is closed, a holding force F H acts.
  • the armature coil A itself serves as a means for generating the exciter magnetic field.
  • Armature 20 and stator 10 together with the gap L A form a magnetic circuit in which the excitation magnetic field is guided.
  • the armature coil A is at least partially arranged next to the gap L A , ie already in the open position (a) partially “immersed” in the frame 10.
  • the armature coil A can be arranged in a circumferential groove of the armature.
  • the armature coil A runs almost symmetrically about the longitudinal axis 1.
  • the length d 2 of the gap L A is determined by the distance between a shoulder 21 of the armature 20 and an end face of the stator 10 opposite the shoulder.
  • an electromagnetic linear actuator includes an elongated frame-mounted one and in the axial direction (longitudinal direction 1) movable armature and at least one coil for generating a magnetic flux (excitation magnetic field) such that the armature and frame tighten in the manner of a solenoid.
  • this attractive force is the so-called reluctance force, the axial component of which decreases at least quadratically with constant coil current in solenoids without characteristic influencing with the air gap length (taking into account the stray field, the decrease is even stronger).
  • an armature coil is connected to the movable armature, which is penetrated by the exciter magnetic field or interacts with it such that -at least at open (axial) air gap L A - on the armature coil an additional force (eg Lorentz force) acts, which acts in the same direction as the reluctance force (on the armature).
  • the excitation magnetic field of the armature coil A at least partially closes over the radial air gap L B , which causes the armature coil A is so interspersed with the field magnetic field that acts on this an additional force.
  • the armature coil itself generates a field magnetic field suitable both for generating reluctance force in the manner of a solenoid (ie for holding the armature when the gap is closed) and for accelerating the armature due to mentioned additional force effect with open air gap.
  • a solenoid ie for holding the armature when the gap is closed
  • An example of this is the linear actuator described above Fig. 1 ,
  • a linear actuator in simple terms, comprises an (electric) lifting magnet whose armature is additionally driven (shifted) by the force acting on the armature coil.
  • Fig. 2 concerns another example of the present invention in which the excitation magnetic field for accelerating an armature coil A and hence the armature 20 is not generated by an armature coil A alone (as in the example of FIG Fig. 1 ) but additionally by means of an exciter coil B mechanically connected to the frame.
  • the linear actuator according to the Fig. 2 thus, the example illustrated comprises a pair of exciter coil B and armature coil A.
  • the in Fig. 2 shown actuator can with the actuator Fig. 1 combined (cf. Fig. 5 ) or used independently.
  • the linear actuator comprises a frame 10 (stator) and an armature 20 mounted on the frame and movable axially (ie along the longitudinal axis 1).
  • An armature coil A is fixedly connected to the armature 20.
  • the armature coil A can be as symmetrical as possible about the longitudinal axis 1 the armature 20 to be wound.
  • Fixedly connected to the frame 10 is an exciting coil B associated with the armature coil A. This can be wound coaxially with the armature coil A.
  • the armature coil A and excitation coil B are energized such that the coils A, B generate opposing magnetic fields.
  • the coils A, B are in an open (end) position of the actuator (see Fig.
  • the coils A, B can also be partially arranged in one another (cf., for example Fig. 4 ). The radial components of the magnetic fields are superimposed and cause a radial magnetic flux, which leads to a force effect in the armature coil A. For the best possible overlap of the magnetic fields, the two coils A, B have to produce the same amount of magnetic flux in terms of amount, which can be achieved most easily by connecting two coils of the same number of turns electrically in series.
  • radial is understood to mean a direction which has a right angle to the longitudinal axis of the actuator (ie lies at right angles to the direction of movement), regardless of whether or not the actuator is rotationally symmetrical. Radial means “across the axis of motion", regardless of the shape of the cross section of the actuator.
  • the axial "gap" L A is in the present example Fig. 2
  • the distance between an end face of the armature 20 and a corresponding end face of the frame 10 is understood and represents in the present example, no air gap of the magnetic circuit.
  • the armature 20 is not on the frame 10, and consequently no holding force F H between armature 20 and frame 10 in the closed (end) position.
  • the "gap" L A is not an air gap of a magnetic circuit, since the frame is open at the front.
  • FIG. 2b shows the same actuator as in Fig. 2a however, with a smaller axial "gap" L A and a radial air gap L B of greater cross-sectional area between the coils A, B than in FIG Fig. 2a , In the example off Fig. 2 namely stays along the Longitudinal axis 1 between the coils A, B, a radial air gap L B (ie transverse to the longitudinal axis 1).
  • the energy density of the magnetic field is proportional to B 2 , so that after the shift, the magnetic field between the coils contains only half of its original field energy (double volume, one quarter energy density). The energy difference can be done as work.
  • the distance between exciter and armature coil B, A at the beginning of the travel is as small as possible must be - with higher compression and heat engines are more efficient.
  • the magnetic tension force which has the shape ( B ⁇ ) B / ⁇ 0 and has the dimension Nm -3 .
  • a force acts between the coils A, B in such a way that the pressure gradient becomes smaller, which corresponds to a "straightening", and thus shortening, of the magnetic field lines.
  • the work performed by this force comes from the magnetic field itself - in contrast to the Lorentz force, which is only mediated through the magnetic field.
  • the "magnetic tension force” does not act parallel but antiradial (the field lines "straight") to the field lines.
  • FIG. 3 shows an example of the example Fig. 2 very similar embodiment, wherein at the closed axial gap L A (see Fig. 3b ), the armature 20 can be held on the frame 10 in the manner of a solenoid by means of a magnetic holding force F H.
  • the frame 10 on the front side a stop, against which a corresponding end face of the armature with closed gap L A.
  • the frame 10 has the shape of a front side closed on one side of the hollow cylinder and the armature 20 has the shape of a in the Hollow cylinder of the frame 10 fitted cylinder.
  • other than rotationally symmetrical cross sections transverse to the longitudinal axis 1 are possible and anchor-armature counterpart systems instead of flat faces.
  • Armature coil A and excitation coil B are arranged in grooves, which are respectively arranged in the surface of the armature 20 and the frame 10.
  • the grooves for example, run in the circumferential direction normal to the longitudinal axis 1.
  • the groove in which the armature coil A extends may be wider than the armature coil A itself, so that next to a slide bearing material 30 can find place that improves the sliding behavior between armature 20 and frame 10 ,
  • the sliding bearing material 30 is a self-lubricating and electrically insulating plastic.
  • the groove in the armature 20 may be completely filled with the armature coil A (including potting compound). Starting from the open end position of the linear actuator (see Fig.
  • the groove in the armature 20 is so wide that with a small displacement of the armature, a radial air gap between armature coil A and excitation coil B remains in a similar manner as in the example Fig. 2 ,
  • the term air gap is not to be understood as meaning that there is actually air in the gap, it is much more important that the material in the air gap is not soft magnetic.
  • a further exciter coil C can be arranged in or on the frame 10.
  • the holding coil C is also arranged in a groove of the frame 10 in the same way as the exciter coil B.
  • the holding coil C is not absolutely necessary for the function of the actuator.
  • the exciting field necessary for the generation of the holding force F H can also be generated by the armature coil A, in this case, the web between the groove in which the armature coil A is arranged, and the end face of the armature 20 should be significantly smaller ( as those in the corresponding Fig.
  • the exciting field necessary for the holding force F H can also be generated by permanent magnets arranged in the frame 10 (cf., for example, FIG Fig. 5 ).
  • the holding coil C considered by itself acts much like the coil of a conventional electric lifting magnet.
  • Fig. 4 is essentially the same as the example Fig. 3 ,
  • the armature coil A and excitation coil B are coaxial and in the open (end) position at least partially arranged in each other, so that the coils A, B partially overlap in the axial direction.
  • Such an arrangement may have a very low initial inductance, wherein the coils A and B may be connected in series or in parallel.
  • the armature coil A is also arranged in an armature 20 circumferential groove.
  • the armature coil is distributed over the entire groove cross section and there is no separate slide bearing material 30 (see. Fig. 3 ) to form a sliding surface.
  • Fig. 3 the armature coil is distributed over the entire groove cross section and there is no separate slide bearing material 30 (see. Fig. 3 ) to form a sliding surface.
  • armature coil A and excitation coil B can be wound in such a way that in the opened initial state (see, for example, FIG Fig. 3a or 4a ) whose inductances (due to a destructive superposition of the respective magnetic fields) largely compensate, so that the overall arrangement (with parallel or series connected coils A, B) has a very low initial inductance, which has the advantage that even at moderate operating voltages a very high dynamics (ie short absolute positioning times) can be achieved.
  • FIG. 5 shows an example, which does not belong to the invention, which is constructed similar to the example of Fig. 4 , Unlike the actor according to Fig. 4 Excitation coil B and holding coil C are replaced by corresponding permanent magnets B 'and C'.
  • the Permanent magnets B ', C' are disposed on or in the frame 10 so as to produce a magnetic field similar to that of the energized coils B and C in the example of FIG Fig. 4 , In the present case, the permanent magnets B 'and C' are designed as part of the frame 10.
  • the permanent magnets could also - as in the example of Fig. 3 - Be arranged in grooves which rotate around the inside of the frame 10 in the circumferential direction.
  • the permanent magnets can also on the inside of the frame (analogous to the exciter coil B off Fig. 2 ) be attached. (It is also possible to interchange the "rollers" of the frame and armature and to secure the permanent magnets to the armature and therefore the previous armature coil to the frame.)
  • the permanent magnets B ', C' have the shape of a hollow cylinder in the example shown.
  • the permanent magnets can also be composed of a plurality of individual magnets.
  • a variant is shown in the present example, in which by the movement of the linear actuator, a spring 50 is tensioned and held in a tensioned state.
  • each of the illustrated embodiments may be used to tension a spring.
  • each of the actuators shown (possibly with little adaptation of the construction) hold the spring in a tensioned state. In all embodiments except the example Fig. 2 this is with low electrical power consumption or even without power (cf. Fig. 5 ) possible. In this way, very simply constructed "spring storage" can be realized.
  • the armature coil A is supplied with current such that (one would consider the fields individually), the resulting magnetic field of the armature coil is directed opposite to the exciting magnetic field of the permanent magnet B '.
  • the superimposition of the magnetic fields of armature coils A and permanent magnet B ' results in a radial field component which results in a force action in the armature coil, which results in a force Armature coils A and permanent magnet B 'apart drives. Consequently, in the open end position (see Fig.
  • a force on the armature coil A which is large enough along with the reluctance force acting on the armature over the entire travel to tension the (pressure) spring 50 and to move the armature against the spring force in the closed end position (see Fig. 5b ).
  • a holding force F H which holds the armature in the closed end position and thus the spring tensioned.
  • the armature can also be held without current against the spring force solely on the basis of the exciting field of the holding magnet C '.
  • the magnetic field of the holding magnet C ' can be compensated by the field of armature coil A and the holding force F H on the armature 20 disappears (or becomes smaller than the spring force).
  • the spring 50 may relax, causing the actuator to return to the home position (see FIG Fig. 5a ) is moved.
  • a Lorentz force acts on the armature coil A, but in the opposite direction as during tensioning of the spring, ie the opening of the axial air gap, which additionally accelerates the armature 20.
  • a linear actuator which essentially as a combination (mechanical series connection) of the in the FIGS. 1 and 2 Actuators shown can be considered. Accordingly, the actor has off Fig. 6 two armature coils A1 and A2 and an excitation coil B1, wherein the coil pair A1 and B1 from the pair of armature coil A and excitation coil B from the example of Fig. 2 corresponds and the (self-excited) armature coil A2 of the armature coil A from the example FIG. 1 , In a closed end position, a holding force F H acts between armature 20 and frame 10 in the same way as in the example FIG. 1 , During the linear positioning process ensures - compared to the example Fig. 1 - The additional coil pair (excitation coil B1, armature coil A1) for an additional electromagnetic force on the armature coil A1 and thus on the armature 20th
  • the magnetic linear actuator according to Fig. 7 can be viewed, which provide a particularly high magnetic force over the entire travel available and, because of the high volume-specific force, can have a short positioning time.
  • the armature coil A2 has the same function as in the previous examples Fig. 1 or Fig. 6
  • the holding coil C has the same function as in the example Fig. 3
  • the coil pairs A1, B1 and A3, B3 also each have the same function as the coils A and B in the example Fig. 3
  • the electromagnetic linear actuator according to Fig. 7 can therefore as a mechanical series connection of the actuator according to Fig. 1 and the actuator according to Fig. 3 be seen, being compared to the actuator off Fig.
  • the pair of exciting coil B and armature coil A in the actuator according to Fig. 7 is provided twice.
  • theoretically any number of pairs of armature coil and corresponding exciter coil can be provided.
  • armature coils A1 and A3 not the entire cross section of the associated grooves in the armature 20.
  • a sliding bearing material is arranged, for example a plastic. This serves on the one hand to fill the groove, which has an influence on the force curve, and on the other hand, the slide bearing material can serve as part of the sliding bearing, which anchor 20 and frame 10 form.
  • the armature coil A1 and the holding coil C are energized in operation so that the resulting magnetic fields are the same direction.
  • the armature coil A3 is energized so that their Magnetic field is reversed oriented to the field of the armature coil A1.
  • the excitation coils B1 and B3 are energized so that their magnetic fields in the open starting position of the actuator, the magnetic fields of the associated armature coils A1 and A3 approximately compensate, so that a low Bacinduktterrorism can be achieved.
  • the coils B1, A1 and B3, A3, for example, connected in pairs in series and form low-inductance subcircuits. Parallel to this (or separately supplied), the coils A2 and C are connected. In this regard, this applies to the FIGS.
  • the axial distance of the armature coils A1 and A3 is dimensioned so that in the closed end position of the armature 20, the armature coil A3 comes to lie in and immediately adjacent to the exciter coil B1.
  • the distance between the excitation coil B1 and the holding coil C is so dimensioned that in the closed end position of the armature 20, the armature coil A1 comes to lie in or near the holding coil C.
  • the excitation magnetic fields of the holding coil C and the armature coil A2 provide sufficient armature force to hold the armature 20 against a possible restoring force (eg, spring force) on the frame 10.
  • the armature 20 can be a soft magnetic component that is extended along a longitudinal axis 1 and axially guided in the frame 10.
  • the armature coils A, A1, A2, A3 can either be recessed in a circumferential groove around the armature (see. Fig. 1 . 3-5 and 7 and 8th ) or wound along the circumference of the anchor (see. Fig. 2 and 6 ) be.
  • the coils can be wound from electrically insulated profile wire (with eg rectangular profile).
  • the armature coils may be cast in accordance with known methods with a casting resin, wherein the casting resin may comprise a powder.
  • the powder may consist of ceramic material, for example of a material with high thermal conductivity, or from a other material with correspondingly high thermal conductivity.
  • armature 20 and frame 10 and the excitation coils B, B1, B3 should be designed such that the resulting excitation magnetic field (or the resulting excitation magnetic fields), with the armature coil A, A1, A3 interacts, is concentrated by a corresponding geometric configuration of the magnetic circuit on the armature coil (s), wherein in the open end position of the actuator, the excitation field to pass through the armature coils radially to an axial To achieve force effect (since the coil currents flow in the circumferential direction).
  • the excitation coils B, B1, B3, may be larger in the radial direction (eg larger diameter) than the corresponding armature coils A, A1, A3, so that armature and exciter coils are at least partially telescopically slidable.
  • Anchor 20 and frame 10 can slide over each other so that radial air gaps are closed depending on the anchor position (see. Fig. 3 and 4 ).
  • armature coil A and exciter coil B can also be approximately the same size (cf. Fig. 2 and 6 ). In this case, in the open end position of the actuator armature coil and associated excitation coil can be arranged directly next to each other.
  • the anchor and / or the frame should soft magnetic materials with the highest possible saturation polarization and highest relative permeability can be used.
  • the electrical conductivity of the armature and frame should - to keep eddy current losses low - be as low as possible.
  • the material (s) for the armature and / or the frame to suppress eddy currents are laminated ("electrical sheet") or consist of a powder composite material or provided with slots.
  • the power supply (ie, the cable) for the armature coil (s) may be led out of the armature 20 through an axial bore.
  • the power supply can be ensured by twisted wires or a stranded wire.
  • the material used for this example is beryllium bronze in question.
  • armature coils with corresponding excitation coils should be connected in series or in parallel and be designed and arranged in such a way that the respective magnetic fields largely compensate each other at the beginning of the travel, so that the inductance of the arrangement at the beginning of the travel is correspondingly low.
  • a certain axial offset must remain between corresponding ones, otherwise the driving force disappears or changes its sign.
  • the force acting on the armature 20 magnetic force can be led out of the frame 10 via a rod 21 (rod) to allow mechanical coupling to other machine elements.
  • the actuator can thus with a spring 50 (see Fig. 5 or spring Fig. 8 ) are combined so that it can tension this and hold in a tensioned state against the action of the spring force in an end position (ie at the end of the travel).
  • a spring 50 see Fig. 5 or spring Fig. 8
  • By switching off or reducing the responsible for holding the armature 20 in the final position magnetic field of the spring can be triggered if necessary, which has a snap back of the actuator in the open starting position result.
  • the spring can be held without power in the cocked position.
  • the field of the permanent magnet see Magnet C 'in Fig.
  • the armature 20 can be accelerated during the snap back on the acting on the armature coil (s) (n) electromagnetic forces, which allows even shorter positioning times.
  • the illustrated linear actuators In combination with a spring, the illustrated linear actuators, known spring-loaded actuators, for example, in electrical switches, to replace advantageous (short positioning times, high forces, low number of moving parts). This is particularly true for such drives, which are equipped with pairs of coils, one of which is mechanically connected to the armature (armature coil) and the other to the stator (exciter coil).
  • the desired low initial inductance may be too high when the drives are turned on
  • the illustration shows the drive in its Hubaggingslage, the turns are not shown.
  • the current induces a magnetic flux in the "soft magnetic bridge” which, because of the high relative permeability of soft magnetic materials, results in a high initial inductance of the drive (it is advantageous to wind and connect the coils associated with approximately the same number of turns).
  • the high initial inductance allows the switch used to switch the drive to become fully conductive before a large current flows through the drive coils. This protects the switch (see above).
  • the drive starts to move when the "soft magnetic bridge", which is magnetically traversed in the direction of movement, is saturated. It then acts like other drives according to the invention in combination with a proportional magnet (the armature movement shortens the field lines in the saturated "soft magnetic bridge” in the direction of movement).
  • Fig. 8 encountered by either (flat) thread cut or a plurality of small further grooves are introduced into the outer grooves of the armature and stator (the grooves are formed, for example, by a plurality of parallel, circumferentially interrupted and circumferentially circumferential webs).
  • the winding wire is wholly or partially wound in these smaller grooves or the (flat) thread, then as previously shed. This allows on the one hand a distribution of the force acting on the copper force on flanks of the grooves or the thread, if necessary, the potting compound is actually interlocked with the anchor.
  • the armature As an additional measure for insulating the armature relative to the coils, it is of course also possible to provide the armature by known methods with electrically insulating layers, for example by immersion, vapor deposition, anodization, etc. In this case, the application of the insulating layers by known measures to the electrically relevant areas be restricted; but it can also be the entire anchor coated and serve the layer as it were as part of the sliding bearing, the anchor and frame (1) form can, provided that no separate belly or rod storage is made (which is formed for example with soft magnetic bearing metal).
  • the drives according to the invention described above are well suited to replace known spring-loaded drives in electrical circuit breakers in combination with springs (as direct drives): This applies to all exemplary embodiments. Particularly interesting in connection with this is the possibility of installing the drives directly in the gas chambers of high-voltage circuit breakers or in the (vacuum) tubes of low and medium-voltage circuit breakers. This eliminates the need for elaborate seals (e.g., rotary seals for SF6 insulated high voltage circuit breakers or metal bellows in the case of vacuum interrupters) and greatly reduces the number of moving parts, which on the one hand is cost effective and on the other hand benefits reliability. By far compared to conventional magnetic drives much higher dynamics actuators according to the invention are particularly suitable for synchronized switches (ie switching at the zero crossing of the current), even for those in which the drives are arranged in a conventional manner outside the gas or vacuum spaces.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet elektromagnetischer Linearaktoren, beispielsweise zum Spannen und Halten von Federn in Federspeicherantrieben.
    • Hintergrund
  • Die Wirkungsweise von elektromagnetischen Aktoren beruht auf der Wirkung der Lorentzkraft und der Reluktanzkraft (auch Maxwellsche Kraft).
  • Aktoren, die in der Art eines Hubmagneten aufgebaut sind, können zum Betätigen von Maschinenhebeln, Ventilen, Schiebern, Schaltern, etc. verwendet werden. Hubmagnete sind Elektromagnete umfassend Anker, Stator und Spule(n). Sie vermögen bei geringer Leistungsaufnahme große Haltekräfte zu erzeugen und sind von einfachem und robustem Aufbau. Bei großen Hüben ist ihre elektrische Effizienz allerdings wegen des mit dem großem Hub verbundenen großen Luftspalts gering. In einfachster Näherung (kein Streufeld, keine Sättigung) ist der zur Erzeugung einer bestimmten Kraft erforderliche Strom proportional zur Länge des Luftspalts, und die Verlustleistung steigt quadratisch mit dem Strom. Die tatsächlichen Verhältnisse sind sogar noch ungünstiger. Wegen der hohen Verlustleistung vermögen langhubige Hubmagnete in der Regel selbst dann nur geringe Anfangskräfte (im Vergleich zur Haltekraft) zu erzeugen, wenn die elektrische Effizienz für die Anwendung unerheblich ist. Die Grenze ist gegeben durch die Strombelastbarkeit. Hubmagnete werden z.B. dann als "langhubig" bezeichnet, wenn der maximale Hub h des Ankers (relativ zum Stator) in der Größenordnung h = sqrt(A) liegt, wobei A die Querschnittsfläche des Ankers bezeichnet. Die angegebene Definition darf jedoch nur als Richtwert verstanden werden. Im Allgemeinen ist die Realisierung einer über den gesamten Stellweg annähernd konstanten Aktor-Kraft bei größeren Stellwegen ungleich schwieriger als bei kleinen. Die hohe Haltekraft wirkt nur bei einem Luftspalt von annähernd null.
  • Durch geeignete geometrische Auslegung von Anker und Rahmen kann die Kraft-Weg-Kennlinie eines Hubmagneten derart beeinflusst (wird als Kennlinienbeeinflussung bezeichnet) werden, dass die auf den Anker wirkende Reluktanzkraft annähernd unabhängig vom Weg wird. Derartige Aktoren werden als "Proportionalmagnete" bezeichnet. Wenn die Magnetkraft auf den Anker gegen die Rückstellkraft einer Feder wirkt, kann bei geeigneter Auslegung die Position des Ankers annähernd proportional zum Ankerstrom sein. Bei langen Hüben liefern Proportionalmagnete aber nur verhältnismäßig geringe Kräfte. Außerdem können Proportionalmagnete in angezogenem Zustand nur vergleichsweise kleine Haltekräfte erzeugen (verglichen mit Hubmagneten ohne Kennlinienbeeinflussung).
  • Eine andere Art von elektromagnetischen Linearaktoren sind nach Art einer Tauchspule aufgebaut und werden auch als elektrodynamische Aktoren bezeichnet. Im Vergleich zu Hubmagneten sind Tauchspulen empfindlichere und aufwendigere Konstruktionen. Zwar können geeignet konstruierte Tauchspulen über den gesamten Hub nahezu gleich bleibend große (Lorentz-)Kräfte erzeugen, diese müssen aber von der freistehenden und vergleichsweise filigranen Spule aufgenommen werden. Die Kühlung von Tauchspulen kann eine technische Herausforderung darstellen, da die Spule beweglich aufgehängt werden muss und zum Erreichen einer hohen Dynamik möglichst leicht sein soll. (Als Beispiel sei ein elektrodynamischer Lautsprecher genannt). Sie kann daher oftmals nicht mit einer (massiven) Wärmesenke fest verbunden werden. Des Weiteren sind Tauchspulen im Gegensatz zu Hubmagneten nicht in der Lage, bei geringer Leistungsaufnahme(Halte-)Kräfte zu generieren. Für Anwendungen, in denen bei möglichst geringer Leistungsaufnahme eine große (Halte-) Kraft aufrecht erhalten werden soll, sind sie weniger geeignet.
  • Dokument EP 1 655 755 offenbart einen elektromagnetischen Linearaktor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen elektrischen Linearantrieb zu finden, der ähnlich hohe Haltekräfte erzeugen kann wie ein Hubmagnet (ohne Kennlinienbeeinflussung), jedoch auch bei langen Hüben über den gesamten Stellweg eine Kraft in der Größenordnung der Haltekraft erzeugen kann.
    • Zusammenfassung
  • Die oben genannte Aufgabe wird durch einen elektromagnetischen Linearaktor gemäß Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Es wird im Folgenden ein elektromagnetischer Linearaktor beschrieben. Gemäß einem Beispiel der Erfindung umfasst der Linearaktor einen Rahmen (Stator), der zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material besteht; einen Anker, der zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material besteht und der an dem Rahmen derart gelagert ist, dass der Anker entlang einer Längsachse relativ zum Rahmen bewegbar ist. Anker und Rahmen sind derart ausgebildet, dass entlang der Längsachse in einer offenen Position ein Spalt zwischen Anker und Rahmen vorliegt und in einer geschlossenen Position Anker und Rahmen aneinander anliegen, sodass der Spalt geschlossen ist. Eine erste Ankerspule ist mit dem Anker derart verbunden, dass eine auf die erste Ankerspule wirkende Kraft auf den Anker übertragbar ist. Der Linearaktor umfasst des Weiteren Mittel zum Erzeugen eines Erreger-Magnetfeldes, das zumindest teilweise durch Rahmen und Anker geführt und derart gerichtet ist, dass auf die erste Ankerspule, wenn sie bestromt ist, eine Kraft wirkt, die auf den Anker übertragen wird, um den Spalt zu schließen. Rahmen, Anker und Erreger-Magnetfeld sind dabei derart ausgebildet, dass bei geschlossenem Spalt zwischen Rahmen und Anker eine Haltekraft wirkt.
  • Im Vergleich zu einem normalen Elektromagneten (Hubmagneten ohne Kennlinienbeeinflussung) bieten Linearaktoren gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorteil, auch bei langen Hüben über den gesamten Stellweg eine Kraft in der Größenordnung der Haltekraft erzeugen zu können. Dies kann gemäß dem oben erläuterten Beispiel erreicht werden, indem eine oder mehrere auf den Anker gewickelte Spule(n) zusätzlich zu der auf den Anker wirkenden Reluktanzkraft Kraft auf den Anker übertragen, diesen also gleichsam "anschieben", wenn die Reluktanzkraft des Ankers wegen des weit geöffneten Luftspalts noch gering ist.
  • Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung umfassen die Mittel zum Erzeugen des Erregerfeldes neben der ersten Ankerspule eine dieser zugeordnete, mit dem Rahmen mechanisch verbundene Erregerspule, wobei die erste Ankerspule und die zugehörige Erregerspule, wenn sie bestromt sind, für sich gegensinnige Magnetfelder erzeugen. Zumindest in der geöffneten Position führt eine Überlagerung dieser Magnetfelder zu einem radialen (quer zur Längsrichtung) magnetischen Fluss (Erregerfeld), der mit der ersten Ankerspule in Wechselwirkung treten kann. In der geöffneten Position sind die erste Ankerspule und die ihr zugeordnete Erregerspule derart benachbart angeordnet, dass bei bestromten Spulen das Erregerfeld mit der ersten Ankerspule derart in Wechselwirkung tritt, dass auf die erste Ankerspule eine den Spalt schließende Kraft in Längsrichtung wirkt.
  • Des Weiteren können mehrere Paare (Ankerspule und zugehörige Erregerspule) in einem Aktor untergebracht sein, beispielsweise im Sinne einer mechanischen Reihenschaltung. Zusätzlich oder alternativ kann eine Ankerspule vorgesehen sein, die - wie oben erwähnt - ihr Erregerfeld selbst erzeugt. Schließlich kann am Rahmen eine Haltespule angeordnet sein, die bei geschlossenem Spalt eine Haltekraft erzeugt. Auch die Haltespule kann durch Permanentmagnete ersetzt werden. Im Folgenden wird, teils synonym, von "Halte-" und "Zugspulen" gesprochen. Damit sind immer Spulen gemeint, die dem Zweck dienen, eine Reluktanzkraft auf ein weichmagnetisches bewegliches Teil des Antriebs (normalerweise den Anker) auszuüben. Der Begriff der "Zugspule" veranschaulicht dies insofern, als dass Reluktanzkräfte auf weichmagnetische Teile stets attraktiv wirken. Der Begriff der Haltespule unterstreicht, dass bei geeigneter Bemessung eine Zugspule den Aktor wider eine Rückstellkraft in einer Position zu halten vermag. Alle Haltespulen im Sinne dieser Erfindung sind Zugspulen.
  • Da die Kraft des Aktors über den gesamten in der Größenordnung der Haltekraft liegen kann, ist der Aktor insbesondere zum Spannen von Federn gut geeignet. Die Feder(n) kann (können) dann mittels eines nur geringen Haltestroms oder (bei Verwendung von Permanentmagneten) sogar stromlos im gespannten Zustand gehalten werden.
    • Kurzbeschreibung der Abbildungen
  • Die folgenden Figuren und die weitere Beschreibung soll helfen, die Erfindung besser zu verstehen. Nähere Details, Varianten und Weiterentwicklungen des Erfindungsgedankens werden an Hand von Figuren erläutert, die ein spezielles ausgewähltes Beispiel betreffen. Die Elemente in den Figuren sind nicht unbedingt als Einschränkung zu verstehen, vielmehr wird Wert darauf gelegt, das Prinzip der Erfindung darzustellen.
    • Fig. 1
    zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor gemäß einem Beispiel der Erfindung in einer geöffneten Endposition (a) und in einer geschlossenen Endposition (b). In der geöffneten Endposition (a), also am Hubanfang, wird der Magnetkreis überwiegend über den radialen Luftspalt LB geschlossen (Nebenschluss), wodurch die bestromte Spule, die in Luftspalt LB untergebracht ist, eine Kraft spürt, die sie auf den Anker überträgt: Die Spule schiebt den Anker in Richtung der geschlossenen Endposition (b). Durch die Ankerbewegung verringert sich aber der axiale Luftspalt LA, wodurch dessen Reluktanz ab- und der magnetische Fluss durch LA zunimmt. In der geschlossenen Endposition (b), also bei verschwindendem axialen Luftspalt LA << LB, wirkt die Anordnung schließlich wie ein herkömmlicher Hubmagnet. Natürlich kann auch der "Anker" anstelle des "Stators" festgehalten werden, in diesem Fall vertauschen Stator und Anker die Rollen und statt des bewickelten Ankers wird "nur Eisen" bewegt, was in vielen Fällen einfacher ist. Entscheidend für die Effizienz des Antriebs ist ein hinreichend kleiner Luftspalt LB, insbesondere muss dieser klein sein in Relation zum voll geöffneten Luftspalt LA;
    Fig. 2
    zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung in einer geöffneten Endposition (a) und in einer Position während des Stellvorganges (b);
    Fig. 3
    zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor, der ähnlich aufgebaut ist wie das Beispiel aus Fig. 2, wobei der Aktor in der geschlossenen Endposition (b) gehalten werden kann;
    Fig. 4
    zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung in einer geöffneten Endposition (a) und in einer geschlossenen Endposition (b); der Aufbau ähnelt dem Aktor aus Fig. 3;
    Fig. 5
    zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor zum Spannen eines Federspeichers gemäß einem Beispiel, das nicht zur Erfindung gehört, in einer geöffneten Endposition (a) und in einer geschlossenen Endposition (b); der Aufbau ähnelt dem Aktor aus Fig. 4, wobei jedoch die Erreger-Magnetfelder durch Permanentmagneten erzeugt werden;
    Fig. 6
    zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung; der Aktor kann als Kombination der Beispiele aus Fig. 1 und 2 angesehen werden;
    Fig. 7
    zeigt einen elektromagnetischen Linearaktor gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung. Der Aktor kann als Kombination der Beispiele aus Fig. 1 und 3 angesehen werden; und
    Fig. 8
    zeigt einen besonders einfach zu fertigenden und besonders robusten Linearaktor. Die Windungen der Spulen werden zumindest teilweise in die Flachgewinde gewickelt (Wobei die Flachgewinde auch durch andere Gewindeformen oder unterbrochene "Rippen", also eine Vielzahl von Nuten, die von unterbrochenen Stegen gebildet werden, ersetzt werden können. Entscheidend ist, dass die Windungen zumindest teilweise in Vertiefungen im Anker(werkstoff) gewickelt werden.). Der Antrieb arbeitet vergleichbar zu dem in Fig. 6 dargestellten, allerdings besitzen die Erregerspule und die zugeordnete Ankerspule, die sich gegenseitig abstoßen können, unterschiedliche Durchmesser (wie beispielsweise auch gemäß Fig. 4). Radial befindet sich im Gegensatz zu den zuvor dargestellten Antrieben weichmagnetisches Material zwischen diesen Spulen (siehe das "Flachgewinde" von Rahmen(1)), welches zuerst sättigen muss, bevor der Antrieb eine größere Kraft liefern kann.
    Detaillierte Beschreibung
  • Figur 1 ist eine Darstellung eines einfachen Beispiels eines erfindungsgemäßen Linearaktors (Fig. 1a: offene Position, Fig. 1b: geschlossene Position). Die in Figur 1 dargestellte Anordnung ist rotationssymmetrisch (Längsachse 1 als Symmetrieachse). Ein rotationssymmetrischer Aufbau des Aktors ist jedoch nicht zwingend.
  • Gemäß dem Beispiel aus Figur 1 umfasst der Linearaktor einen Rahmen 10 (im Folgenden auch als "Stator" bezeichnet) sowie einen Anker 20. Sowohl Anker 20 als auch Stator 10 bestehen zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material, um magnetische Flüsse führen zu können. Der Anker 20 ist an dem Stator 10 derart gelagert, dass der Anker 20 entlang der Längsachse 1 relativ zum Stator 10 bewegbar ist. Anker 20 und Stator 10 sind des Weiteren derart ausgebildet, dass entlang der Längsachse 1 zwischen Anker 20 und Stator 10 in einer offenen Position ein Spalt LA zwischen Anker 20 und Stator 10 vorliegt und in einer geschlossenen Position Anker 20 und Stator 10 aneinander anliegen, sodass der Spalt LA geschlossen ist. Mit dem Anker 20 verbunden ist eine erste Ankerspule A. Die Verbindung zwischen Ankerspule A und Anker 20 ist derart, dass die auf die erste Ankerspule A wirkende Kraft auf den Anker 20 übertragbar ist. Eine durch Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einem Spulenstrom wirkende Kraft auf die Ankerspule A wirkt folglich auch auf den Anker 20 selbst. Der Linearaktor gemäß dem Beispiel aus Figur 1 umfasst schließlich Mittel zum Erzeugen eines Erreger-Magnetfeldes, das zumindest teilweise durch Stator und Anker geführt und derart gerichtet ist, dass auf die erste Ankerspule 20, wenn sie bestromt ist, eine Kraft FM wirkt, die auf den Anker 20 übertragen wird, um den Spalt LA zu schließen (siehe Fig. 1b). Stator 10, Anker 20 und Erreger-Magnetfeld sind dabei derart ausgebildet, dass bei geschlossenem Spalt LA zwischen Stator 20 und Anker 10 eine Haltekraft FH wirkt.
  • Bei der in Figur 1 gezeigten selbsterregten Variante dient die Ankerspule A selbst als Mittel zum Erzeugen des Erreger-Magnetfeldes. Anker 20 und Stator 10 bilden zusammen mit dem Spalt LA (als (Arbeits-)Luftspalt) einen Magnetkreis, in dem das Erreger-Magnetfeld geführt wird. Die Ankerspule A ist dabei zumindest teilweise neben dem Spalt LA angeordnet, also bereits in der offenen Position (a) teilweise in den Rahmen 10 "eingetaucht". Insbesondere kann die Ankerspule A in einer umlaufenden Nut des Ankers angeordnet sein. Die Ankerspule A verläuft in diesem Fall beinahe symmetrisch um die Längsachse 1. Im vorliegenden Beispiel wird die Länge d2 des Spalts LA durch den Abstand zwischen einem Absatz 21 des Ankers 20 und einer dem Absatz gegenüberliegenden Stirnfläche des Stators 10 bestimmt.
  • Gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung umfasst ein elektromagnetischer Linearaktor einen langgestreckten, an einem Rahmen gelagerten und in axialer Richtung (Längsrichtung 1) bewegbaren Anker sowie mindestens eine Spule zur Erzeugung eines magnetischen Flusses (Erreger-Magnetfeld) derart, dass Anker und Rahmen sich nach Art eines Hubmagneten anziehen. Diese anziehende Kraft ist wie bei "normalen" Hubmagneten die sogenannte Reluktanzkraft, deren axiale Komponente bei konstantem Spulenstrom in Hubmagneten ohne Kennlinienbeeinflussung mit der Luftspaltlänge zumindest quadratisch abnimmt (bei der Berücksichtigung des Streufeldes ist die Abnahme noch stärker). Praktisch können bei größeren Arbeitsluftspalten aus diesem Grund mit einem gewöhnlichen Elektromagnet keine großen Kräfte erzeugt werden, bei geschlossenen Arbeitsluftspalten jedoch können große Haltekräfte zwischen dem beweglichen Teil und dem Rahmen wirken. Um über den gesamten Stellweg des beweglichen Ankers eine Kraft in der Größenordnung der Haltekraft des Elektromagneten erzielen zu können, ist mit dem beweglichen Anker eine Ankerspule verbunden, die von dem Erreger-Magnetfeld derart durchsetzt wird bzw. mit diesem derart wechselwirkt, dass -zumindest bei offenem (axialen) Luftspalt LA - auf die Ankerspule eine zusätzliche Kraft (u.a. Lorentzkraft) wirkt, die in die gleiche Richtung wirkt wie die Reluktanzkraft (auf den Anker). Anders ausgedrückt, bei offenem (axialen) Luftspalt LA schließt sich das Erregermagnetfeld der Ankerspule A zumindest teilweise über den radialen Luftspalt LB, was dazu führt, dass die Ankerspule A derart mit dem Erregermagnetfeld durchsetzt wird, dass auf diese eine zusätzliche Kraft wirkt. Bei geeignetem Design von Rahmen, Anker und Ankerspule erzeugt die Ankerspule selbst ein Erreger-Magnetfeld, das sowohl die zur Erzeugung einer Reluktanzkraft nach Art eines Hubmagneten geeignet ist (d.h. zum Halten des Ankers bei geschlossenem Spalt), als auch zur Beschleunigung des Ankers aufgrund der erwähnten zusätzlichen Kraftwirkung bei offenem Luftspalt. Ein Beispiel dafür ist der bereits weiter oben beschriebene Linearaktor gemäß Fig. 1.
  • Vereinfacht ausgedrückt umfasst ein Linearaktor gemäß einem Beispiel der Erfindung einen (Elektro-) Hubmagneten, dessen Anker zusätzlich von der auf die Ankerspule wirkenden Kraft angetrieben (verschoben) wird. Hierdurch wird die Bereitstellung großer Kräfte am bereits am Anfang des Stellweges in einfacher Weise ermöglicht. Bei adäquater Bemessung und Bestromung können, verglichen mit Hubmagneten, hohe elektrische Wirkungsgrade und sehr kurze Stellzeiten realisiert werden.
  • Fig. 2 betrifft ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem das Erreger-Magnetfeld zur Beschleunigung einer Ankerspule A und damit des Ankers 20 nicht von einer Ankerspule A allein erzeugt wird (so wie bei dem Beispiel aus Fig. 1) sondern zusätzlich mit Hilfe einer mit dem Rahmen mechanisch verbundenen Erregerspule B. Der Linearaktor gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel umfasst also ein Paar aus Erregerspule B und Ankerspule A. Der in Fig. 2 dargestellte Aktor kann mit dem Aktor aus Fig. 1 kombiniert (vgl. Fig. 5) oder eigenständig verwendet werden.
  • Gemäß dem Beispiel aus Fig. 2 umfasst der Linearaktor einen Rahmen 10 (Stator) und einen an dem Rahmen gelagerten und axial (d.h. entlang der Längsachs 1) bewegbaren Anker 20. Mit dem Anker 20 fest verbunden ist eine Ankerspule A. Die Ankerspule A kann dabei möglichst symmetrisch um die Längsachse 1 des Ankers 20 gewickelt sein. Mit dem Rahmen 10 fest verbunden ist eine der Ankerspule A zugeordnete Erregerspule B. Diese kann koaxial zu der Ankerspule A gewickelt sein. Im Betrieb werden Ankerspule A und Erregerspule B derart bestromt, dass die Spulen A, B gegensinnige Magnetfelder erzeugen. Die Spulen A, B sind in einer offenen (End-) Position des Aktors (siehe Fig. 2a) nebeneinander (mit möglichst geringem axialen Abstand zueinander) angeordnet, sodass bei elektrisch in Serie (oder auch parallel) geschalteten Spulen die Gesamtinduktivität vergleichsweise gering sein kann, da sich die axialen (d.h. in Bewegungsrichtung) Komponenten der Magnetfelder der Spulen näherungsweise destruktiv überlagern. Die Spulen A, B können auch teilweise ineinander angeordnet sein (vgl. z.B. Fig. 4). Die radialen Komponenten der Magnetfelder überlagern sich und verursachen einen radialen magnetischen Fluss, der in der Ankerspule A zu einer Kraftwirkung führt. Für eine möglichst gute Überlappung der Magnetfelder müssen die beiden Spulen A, B betragsmäßig die gleiche magnetische Durchflutung erzeugen, was am einfachsten erreicht werden kann, indem zwei Spulen gleicher Windungszahl elektrisch in Serie geschaltet werden. Ganz allgemein wird unter "radial" eine Richtung verstanden, die einen rechten Winkel zur Längsachse des Aktors aufweist (d.h. rechtwinklig zur Bewegungsrichtung liegt), unabhängig davon, ob der Aktor rotationssymmetrisch aufgebaut ist oder nicht. Radial bedeutet also "quer zur Bewegungsachse", unabhängig von der Form des Querschnitts des Aktors.
  • Der axiale "Spalt" LA ist im vorliegenden Beispiel Fig. 2 als Abstand zwischen einer Stirnseite des Ankers 20 und einer korrespondierenden Stirnseite des Rahmens 10 zu verstehen und stellt in dem vorliegenden Beispiel keinen Luftspalt des Magnetkreises dar. Bei der vorliegenden Konstruktion des Aktors liegt bei geschlossenem Spalt (LA=0) der Anker 20 nicht an dem Rahmen 10 an, und folglich wirkt keine Haltekraft FH zwischen Anker 20 und Rahmen 10 in der geschlossenen (End-) Position. Genau genommen handelt es sich bei dem "Spalt" LA nicht um einen Luftspalt eines Magnetkreises, da der Rahmen stirnseitig offen ist. Bei stirnseitig geschlossenem Rahmen ist der Spalt LA auch Luftspalt eines Magnetkreises und es kann eine entsprechende Haltekraft erzeugt und der Anker in der geschlossenen Endposition gehalten werden. Ein derartiges Beispiel ist z.B. in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Figur 2b zeigt den gleichen Aktor wie in Fig. 2a jedoch mit kleinerem axialem "Spalt" LA und einem radialen Luftspalt LB mit größerer Querschnittsfläche zwischen den Spulen A, B als in Fig. 2a. Bei dem Beispiel aus Fig. 2 bleibt nämlich entlang der Längsachse 1 zwischen den Spulen A, B ein radialer Luftspalt LB (d.h. quer zur Längsachse 1). Bei bestromten Spulen A, B wirkt zwischen Erregerspule B und Ankerspule A eine repulsive Reluktanzkraft, da bei einer Vergrößerung des axialen Abstands der Spulen A, B der effektive Querschnitt des radialen Luftspalts LB ebenfalls größer wird und folglich die Gesamtinduktivität der Aktoranordnung zunimmt: Mit wachsendem Abstand schwindet die wechselseitige Kompensation der Induktivitäten der beiden Spulen. Zusätzlich spürt aufgrund der von der Erregerspule B (im Zusammenwirken mit dem von Ankerspule A erzeugten Magnetfeld) erzeugten radialen Magnetfeldkomponente die Ankerspule A eine Lorentzkraft, die in die gleiche Richtung wirkt wie die oben erwähnte Reluktanzkraft. Wie bereits weiter oben angemerkt entsteht die radiale Magnetfeldkomponente durch Überlagerung der Felder von Erreger- und Ankerspule A, B.
  • Eine intuitivere Betrachtung geht vom magnetischen Druck aus, womit eine grobe Analogie zur Wärmekraftmaschine hergestellt werden kann: Man betrachte die Ankerspule A als Kolben und das Magnetfeld B, welches sich zwischen den Spulen A, B im radialen Luftspalt LB befindet, als Arbeitsgas mit dem (magnetischen) Druck B2/(2µ0), das entspannt wird und dabei Arbeit verrichtet. In einfacher Näherung und bei nicht zu großen Strömen gilt: Bei konstantem Spulenströmen durch Ankerspule A und Erregerspule B führt eine Verdoppelung des effektiven radialen Luftspalt-Querschnitts durch Verschieben der Ankerspule A zu einer Halbierung der Flussdichte im radialen Luftspalt. Die Energiedichte des Magnetfeldes geht aber proportional mit B2, sodass nach der Verschiebung das Magnetfeld zwischen den Spulen nur mehr die Hälfte seiner ursprünglichen Feldenergie enthält (doppeltes Volumen, ein Viertel Energiedichte). Die Energiedifferenz kann als Arbeit verrichtet werden. In diesem Bild ist unmittelbar klar, dass für einen effizienten Antrieb der Abstand zwischen Erreger-und Ankerspule B, A am Anfang des Stellweges möglichst gering sein muss - bei höherer Kompression werden auch Wärmekraftmaschinen effizienter.
  • Bei Erreichen des Endes des Stellweges noch verbliebene magnetische Feldenergie könnte nach bekannten elektrischen Schaltungen verwendet werden, um beispielsweise einen Kondensator zu laden oder direkt eine oder mehrere weitere Spulen, insbesondere Zugspulen, zu versorgen (im Bild der Wärmekraftmaschine entspricht eine solche Beschaltung etwa der Restenergienutzung durch einen Turbolader).
  • Weniger bildlich als die oben beschriebene Analogie zu einer Wärmekraftmaschine aber physikalisch exakter ist die Betrachtung des magnetischen Druckgradienten ("magnetic tension force"), welcher die Gestalt (B·∇)B/µ0 besitzt und die Dimension Nm-3 aufweist. Durch diesen Druckgradienten wirkt, neben der Lorentzkraft, eine Kraft zwischen den Spulen A, B derart, dass der Druckgradient kleiner wird - was einer "Begradigung", und damit Verkürzung, der magnetischen Feldlinien entspricht. Die von dieser Kraft verrichtete Arbeit entstammt dem Magnetfeld selbst - im Gegensatz zur Lorentzkraft, die über das Magnetfeld lediglich vermittelt wird. Im Unterschied zur Reluktanzkraft in Elektromagneten wirkt die "magnetic tension force" nicht parallel sondern antiradial (die Feldlinien "gerade ziehend") zu den Feldlinien.
  • Figur 3 zeigt ein zu dem Beispiel aus Fig. 2 sehr ähnliches Ausführungsbeispiel, bei dem bei geschlossenem axialen Spalt LA (siehe Fig. 3b)der Anker 20 an dem Rahmen 10 nach Art eines Hubmagneten mit Hilfe einer magnetischen Haltekraft FH gehalten werden kann. Dazu weist der Rahmen 10 stirnseitig einen Anschlag auf, an dem eine korrespondierende Stirnseite des Ankers bei geschlossenem Spalt LA anliegt. Im einfachsten Fall (d.h. ohne Kennlinienbeeinflussung) hat der Rahmen 10 die Form eines auf einer Seite stirnseitig geschlossenen Hohlzylinders und der Anker 20 die Form eines in den Hohlzylinder des Rahmens 10 eingepassten Zylinders. Es sind jedoch auch andere als rotationssymmetrische Querschnitte (quer zur Längsachse 1) möglich sowie Anker-Ankergegenstück-Systeme anstelle ebener Stirnflächen.
  • Anders als in dem Beispiel aus Fig. 2 sind Ankerspule A und Erregerspule B in Nuten angeordnet, die jeweils in der Oberfläche des Ankers 20 bzw. des Rahmens 10 angeordnet sind. Die Nuten verlaufen dabei beispielsweise in Umfangsrichtung normal zur Längsachse 1. Die Nut, in der die Ankerspule A verläuft kann dabei breiter sein als die Ankerspule A selbst, sodass daneben ein Gleitlagerwerkstoff 30 Platz finden kann, der das Gleitverhalten zwischen Anker 20 und Rahmen 10 verbessert. Beispielsweise ist der Gleitlagerwerkstoff 30 ein selbstschmierender und elektrisch isolierender Kunststoff. Alternativ kann die Nut im Anker 20 vollständig mit der Ankerspule A ausgefüllt sein (einschl. Vergussmasse). Ausgehend von der offenen Endposition des Linearaktors (siehe Fig. 3a) ist die Nut im Anker 20 so breit, dass bei einer kleinen Verschiebung des Ankers ein radialer Luftspalt zwischen Ankerspule A und Erregerspule B bleibt in ähnlicher Weise wie bei dem Beispiel aus Fig. 2. Der Begriff Luftspalt ist dabei nicht so zu verstehen, dass sich im Spalt tatsächlich Luft befindet, wesentlich ist vielmehr, dass das Material im Luftspalt nicht weichmagnetisch ist. Am Hubende (bzw. kurz davor) kann (so wie im Beispiel der Fig. 3b) auch der radiale Luftspalt LB geschlossen werden. Folglich bleibt nur mehr ein (am Hubende verschwindender) axialer Luftspalt LA, der dann (nach dem Schließen des radialen Luftspaltes) aufgrund der Reluktanzkraftwirkung (verursacht durch das Magnetfeld der Ankerspule A und der Haltespule C) geschlossen und im geschlossenen Zustand gehalten wird. Ankerspule A und Haltespule C werden dazu gleichsinnig bestromt. Das sukzessive Schließen des radialen Luftspaltes LB ist bei gegensinnig bestromten Spulen A, B übrigens von einer Reluktanzkraft begleitet, welche an der in Bewegungsrichtung hinten liegende Flanke der Nut angreift, in der Ankerspule A untergebracht ist - und die ebenfalls zum Schließen von LA beiträgt.
  • Um am Ende des Stellwegs die Kraft auf den Anker 20 zu erhöhen und um bei geschlossenem axialen Spalt LA eine hohe Haltekraft FH bei möglichst geringer Leistungsaufnahme zu gewährleisten, kann im oder am Rahmen 10 eine weitere Erregerspule C angeordnet sein. Im vorliegenden Beispiel ist die Haltespule C ebenfalls in einer Nut des Rahmens 10 angeordnet in gleicher Weise wie die Erregerspule B. Für die Funktion des Aktors ist die Haltespule C nicht zwingend notwendig. Bei geeigneter Auslegung, kann das für die Erzeugung der Haltekraft FH notwendige Erregerfeld auch von der Ankerspule A erzeugt werden, in diesem Fall sollte der Steg zwischen der Nut, in der die Ankerspule A angeordnet ist, und der Stirnseite des Ankers 20 deutlich kleiner (als die in der korrespondierenden Fig. 2a dargestellte Länge r/2) sein (oder auch null). Alternativ kann das für die Haltekraft FH notwendige Erregerfeld auch durch im Rahmen 10 angeordnete Permanentmagneten erzeugt werden (vgl. Beispiel aus Fig. 5). Die Haltespule C für sich betrachtet wirkt im Wesentlichen wie die Spule eines gewöhnlichen Elektro-Hubmagneten.
  • Das Beispiel in Fig. 4 ist im Wesentlichen gleich aufgebaut wie das Beispiel aus Fig. 3. Beim vorliegenden Beispiel sind Ankerspule A und Erregerspule B koaxial und in der offenen (End-) Position zumindest teilweise ineinander angeordnet, sodass sich die Spulen A, B in axialer Richtung teilweise überlappen. Eine derartige Anordnung kann eine sehr niedrige Anfangsinduktivität aufweisen, wobei die Spulen A und B in Serie oder parallel geschaltet sein können. Im vorliegenden Fall ist die Ankerspule A ebenfalls in einer den Anker 20 umlaufenden Nut angeordnet. Anders als im Beispiel gemäß Fig. 3 ist die Ankerspule jedoch über den ganzen Nutquerschnitt verteilt und es ist kein separater Gleitlagerwerkstoff 30 (vgl. Fig. 3) zur Bildung einer Gleitfläche vorgesehen. Wie in Fig. 4a (offene Endposition des Aktors) zu sehen ist, "sieht" die Erregerspule B während der Bewegung einen radialen Luftspalt LB solange sich die Erregerspule B und die Ankerspule sich (in axialer Richtung) überlappen. Bei zunehmender Verschiebung des Ankers 20 (siehe Fig. 4b) bewegt sich auch die Nut der Ankerspule A weiter. Sobald sich die Nuten von Ankerspule A und Erregerspule B nicht mehr (in axialer Richtung) überlappen, "sieht" die Erregerspule B keinen radialen Luftspalt LB mehr und das Feld der Erregerspule B wird über Anker 20 und Rahmen 10 kurzgeschlossen (vgl. Fig. 4b). Dieses Kurzschließen des radialen Luftspalts LB geschieht bei genauerer Betrachtung kontinuierlich wegen der lokalen Sättigung des Eisens. Erst wenn Anker-Eisen und Stator-Eisen sich hinreichend überlappen (ca. r/2), ist der magnetische Kurzschluss (nahezu) perfekt. Währenddessen kommt die Ankerspule A in den Einflussbereich der weiteren Erregerspule C (Haltespule), deren Erreger-Magnetfeld gleichsinnig zu dem Feld der Ankerspule A ist und die den Anker 20 bis zur Endposition des Ankers (Stirnseite des Ankers berührt innere Stirnfläche des Rahmens) zieht. In dieser Endposition wird der Anker 20 dann aufgrund des Feldes der Spulen A und C gehalten (Haltekraft FH).
  • Wie bereits erwähnt können Ankerspule A und Erregerspule B derart gewickelt sein, dass sich im geöffneten Ausgangszustand (siehe z.B. Fig. 3a oder 4a) deren Induktivitäten (aufgrund einer destruktiven Überlagerung der jeweiligen Magnetfelder) weitgehend kompensieren, sodass die Gesamtanordnung (mit parallel oder in Serie geschalteten Spulen A, B) eine sehr niedrige Anfangsinduktivität besitzt, was den Vorteil mit sich bringt, dass auch bei moderaten Betriebsspannungen eine sehr hohe Dynamik (also kurze absolute Stellzeiten) erreicht werden können.
  • Figur 5 zeigt ein Beispiel, das nicht zur Erfindung gehört, das ähnlich aufgebaut ist, wie das Beispiel aus Fig. 4. Anders als bei dem Aktor gemäß Fig. 4 sind Erregerspule B und Haltespule C durch entsprechende Permanentmagnete B' bzw. C' ersetzt. Die Permanentmagnete B', C' sind derart am oder im Rahmen 10 angeordnet, dass sie ein ähnliches Magnetfeld erzeugen, wie die bestromten (Erreger-)Spulen B bzw. C bei dem Beispiel in Fig. 4. Im vorliegenden Fall sind die Permanentmagnete B' und C' als Teil des Rahmens 10 ausgeführt. Die Permanentmagnete, könnten jedoch auch - wie in dem Beispiel aus Fig. 3 - in Nuten angeordnet sein, welche die Innenseite des Rahmens 10 in Umfangsrichtung umlaufen. Des Weiteren können die Permanentmagnete auch an der Innenseite des Rahmens (analog zur Erregerspule B aus Fig. 2) befestigt sein. (Ebenfalls ist möglich, die "Rollen" von Rahmen und Anker zu vertauschen und die Permanentmagnete am Anker und dafür die bisherige Ankerspule am Rahmen zu befestigen.) Die Permanentmagnete B', C' haben in dem dargestellten Beispiel die Form eines Hohlzylinders. Die Permanentmagnete können jedoch auch aus mehreren Einzelmagneten zusammengesetzt sein. Zusätzlich zu den vorhergehenden Linearaktoren ist im vorliegenden Beispiel eine Variante gezeigt, bei der durch die Bewegung des Linearaktors eine Feder 50 gespannt und in gespanntem Zustand gehalten wird. Auch wenn nicht in jedem Beispiel dargestellt, kann jedes der gezeigten Ausführungsbeispiele verwendet werden, um eine Feder zu spannen. Des Weiteren kann jeder der dargestellten Aktoren (ggf. mit geringer Adaption der Konstruktion) die Feder in gespanntem Zustand halten. Bei allen Ausführungsformen außer dem Beispiel aus Fig. 2 ist dies mit geringer elektrischer Leistungsaufnahme oder sogar leistungslos (vgl. Fig. 5) möglich. Auf diese Art lassen sich sehr einfach aufgebaute "Federspeicher" realisieren.
  • Die Ankerspule A wird derart mit Strom gespeist, dass (würde man die Felder jeweils für sich betrachten) das resultierende Magnetfeld der Ankerspule entgegengesetzt gerichtet ist zu dem Erreger-Magnetfeld des Permanentmagneten B'. Wie an vorangegangenen Beispielen beschrieben führt die Überlagerung der Magnetfelder von Ankerspulen A und Permanentmagnet B' zu einer radialen Feldkomponente, die in der Ankerspule eine Kraftwirkung zur Folge hat, welche die Ankerspulen A und Permanentmagnet B' auseinander treibt. Folglich wirkt in der geöffneten Endposition (siehe Fig. 5a) eine Kraft auf die Ankerspule A, die zusammen mit der auf den Anker wirkenden Reluktanzkraft über den gesamten Stellweg groß genug ist, um die (Druck-)Feder 50 zu spannen und den Anker gegen die Federkraft in die geschlossene Endposition zu bewegen (siehe Fig. 5b). In der geschlossenen Endposition wirkt aufgrund des Erregerfeldes des Haltemegneten C' sowie aufgrund des Magnetfeldes der Ankerspule A eine Haltekraft FH, welche den Anker in der geschlossenen Endposition und somit die Feder gespannt hält. Bei geeigneter Dimensionierung kann der Anker auch stromlos gegen die Federkraft gehalten werden allein aufgrund des Erregerfeldes des Haltemagneten C'. Bei umgekehrter Bestromung ("Gegenerregung") der Ankerspule A kann das Magnetfeld des Haltemagneten C' durch das Feld von Ankerspule A kompensiert werden und die Haltekraft FH auf den Anker 20 verschwindet (bzw. wird kleiner als die Federkraft). Die Feder 50 kann sich entspannen, wodurch der Aktor wieder in die Ausgangsposition (siehe Fig. 5a) bewegt wird. Zusätzlich wirkt eine Lorentzkraft auf die Ankerspule A, jedoch in entgegengesetzter Richtung wie beim Spannen der Feder, also zur Öffnung des axialen Luftspalts hin, was den Anker 20 zusätzlich beschleunigt.
  • In Fig. 6 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein Linearaktor dargestellt, der im Wesentlichen als Kombination (mechanische Hintereinanderschaltung) der den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Aktoren angesehen werden kann. Demnach hat der Aktor aus Fig. 6 zwei Ankerspulen A1 und A2 und eine Erregerspule B1, wobei das Spulenpaar A1 und B1 dem Paar aus Ankerspule A bzw. Erregerspule B aus dem Beispiel aus Fig. 2 entspricht und die (selbsterregte) Ankerspule A2 der Ankerspule A aus dem Beispiel aus Figur 1. In einer geschlossenen Endposition wirkt eine Haltekraft FH zwischen Anker 20 und Rahmen 10 in gleicher Weise wie bei dem Beispiel aus Figur 1. Während des linearen Stellvorganges sorgt - verglichen mit dem Beispiel aus Fig. 1 - das zusätzliche Spulenpaar (Erregerspule B1, Ankerspule A1) für eine zusätzliche elektromagnetische Kraftwirkung auf die Ankerspule A1 und somit auf den Anker 20.
  • Als Kombination der Ausführungsbeispiele aus den Figuren 1 und 3 kann der magnetische Linearaktor gemäß Fig. 7 angesehen werden, welcher eine besonders hohe magnetische Kraft über den gesamten Stellweg zur Verfügung stellen und, wegen der hohen volumenspezifischen Kraft, eine kurze Stellzeit aufweisen kann. Die Ankerspule A2 hat die gleiche Funktion wie in den vorhergehenden Beispielen aus Fig. 1 oder Fig. 6. Die Haltespule C hat die gleiche Funktion wie in dem Beispiel aus Fig. 3. Die Spulenpaare A1, B1 sowie A3, B3 haben ebenso jeweils die gleiche Funktion wie die Spulen A bzw. B in dem Beispiel aus Fig. 3. Der elektromagnetische Linearaktor gemäß Fig. 7 kann also als mechanische Reihenschaltung des Aktors gemäß Fig. 1 und des Aktors gemäß Fig. 3 gesehen werden, wobei im Vergleich zum Aktor aus Fig. 3 das Paar aus Erregerspule B und Ankerspule A bei dem Aktor gemäß Fig. 7 zweimal vorgesehen ist. Um die elektromagnetischen Kräfte bei gleich bleibender Aktorquerschnittsfläche weiter zu erhöhen, können theoretisch beliebig viele Paare aus Ankerspule und korrespondierender Erregerspule vorgesehen sein. Wie bei dem Beispiel aus Fig. 3 füllen die Ankerspulen A1 und A3 nicht den gesamten Querschnitt der zugehörigen Nuten im Anker 20. In den Nuten ist neben der jeweiligen Ankerspule A1, A3 und unter der zugehörigen Erregerspule B1, B2 ein Gleitlagerwerkstoff angeordnet, beispielsweise ein Kunststoff. Dieser dient einerseits zum Füllen der Nut, was Einfluss auf den Kraftverlauf hat, und andererseits kann der Gleitlagerwerkstoff als Teil des Gleitlagers dienen, welches Anker 20 und Rahmen 10 bilden.
  • Die Ankerspule A1 und die Haltespule C sind im Betrieb derart bestromt, dass die resultierenden Magnetfelder gleich gerichtet sind. Die Ankerspule A3 ist so bestromt, dass deren Magnetfeld umgekehrt orientiert ist zu dem Feld der Ankerspule A1. Schließlich sind die Erregerspulen B1 und B3 so bestromt, dass deren Magnetfelder in der geöffneten Ausgangsposition des Aktors die Magnetfelder der zugehörigen Ankerspulen A1 und A3 annähernd kompensieren, sodass eine niedrige Gesamtinduktivität erzielt werden kann. Elektrisch sind die Spulen B1, A1 und B3, A3 beispielsweise paarweise in Serie geschaltet und bilden niederinduktive Teilschaltungen. Parallel dazu (oder separat versorgt) sind die Spulen A2 und C geschaltet. Diesbezüglich gilt das zu den Figuren 2 bis 4 Gesagte entsprechend. Der axiale Abstand der Ankerspulen A1 und A3 ist so bemessen, dass in der geschlossenen Endposition des Ankers 20 die Ankerspule A3 in und unmittelbar neben der Erregerspule B1 zu liegen kommt. In gleicher Weise ist der Abstand zwischen der Erregerspule B1 und der Haltespule C so bemessen, dass in der geschlossenen Endposition des Ankers 20 die Ankerspule A1 in oder nahe der Haltespule C zu liegen kommt. In der geschlossenen Endposition sorgen die Erreger-Magnetfelder der Haltespule C sowie der Ankerspule A2 für eine ausreichende Ankerkraft, um den Anker 20 gegen eine eventuelle Rückstellkraft (z.B. Federkraft) an dem Rahmen 10 zu halten.
  • Allen Ausführungsbeispielen gemeinsam ist, dass der Anker 20 ein entlang einer Längsachse 1 ausgedehntes und in dem Rahmen 10 axial geführtes weichmagnetisches Bauteil sein kann. Die Ankerspulen A, A1, A2, A3 können entweder in einer in Umfangrichtung den Anker umlaufenden Nut versenkt (vgl. Fig. 1, 3-5 und 7 und 8) sein oder entlang des Umfangs des Ankers aufgewickelt (vgl. Fig. 2 und 6) sein. Die Spulen können dabei aus elektrisch isoliertem Profildraht (mit z.B. rechteckigem Profil) gewickelt sein. Die Ankerspulen können gemäß bekannten Verfahren mit einem Gießharz vergossen sein, wobei das Gießharz ein Pulver umfassen kann. Das Pulver kann dabei aus Keramikmaterial bestehen, beispielsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, oder aus einem anderen Material mit entsprechend hoher thermischer Leitfähigkeit.
  • Ganz allgemein kann festgehalten werden, dass Anker 20 und Rahmen 10 sowie die Erregerspulen B, B1, B3 (sowie Spule A im selbsterregten Fall) derart ausgestaltet sein sollen, dass das resultierende Erreger-Magnetfeld (bzw. die resultierenden Erreger-Magnetfelder), mit dem (bzw. den) die Ankerspule A, A1, A3 in Wechselwirkung tritt, durch eine entsprechende geometrische Ausgestaltung des Magnetkreises auf die Ankerspule(n) konzentriert wird, wobei in der offenen Endposition des Aktors das Erregerfeld die Ankerspulen radialer durchsetzen, um eine axiale Kraftwirkung zu erzielen (da die Spulenströme in Umfangsrichtung fließen).
  • Die Erregerspulen B, B1, B3, können in radialer Richtung größer sein (z.B. größerer Durchmesser) als die korrespondierenden Ankerspulen A, A1, A3, sodass Anker- und Erregerspulen zumindest teilweise ineinander schiebbar sind. Anker 20 und Rahmen 10 können dabei so übereinander gleiten, dass radiale Luftspalte abhängig von der Ankerposition geschlossen werden (vgl. Fig. 3 und 4). Alternativ können Ankerspule A und Erregerspule B auch annähernd gleich groß sein (vgl. Fig. 2 und 6). In diesem Fall können in der geöffneten Endposition des Aktors Ankerspule und zugehörige Erregerspule unmittelbar nebeneinander angeordnet sein.
  • Für den Anker und/oder den Rahmen sollten weichmagnetische Materialien mit möglichst hoher Sättigungspolarisation und möglichst hoher relativer Permeabilität verwendet werden. Die elektrische Leitfähigkeit von Anker und Rahmen sollte - um Wirbelstromverluste gering zu halten - möglichst gering sein. Zu diesem Zweck können - ähnlich wie bei Transformatoren - die Werkstoff(e) für den Anker und/oder den Rahmen zur Unterdrückung von Wirbelströmen laminiert werden ("Elektroblech") oder aus einem Pulververbundwerkstoff bestehen oder mit Schlitzen versehen werden. Die Stromzuführung (d.h. das Kabel) für die Ankerspule(n) kann durch eine axiale Bohrung aus dem Anker 20 herausgeführt sein. Die Stromzuführung kann dabei durch verdrillte Drähten oder eine Litze gewährleistet werden. Als Material hierfür kommt z.B. Beryllium-Bronze in Frage.
  • Wie bereits erwähnt sollten Ankerspulen mit korrespondierenden Erregerspulen in Serie oder parallel geschaltet und derart ausgelegt und angeordnet sein, dass am Anfang des Stellwegs sich die jeweiligen Magnetfelder weitgehend kompensieren, sodass die Induktivität der Anordnung am Anfang des Stellwegs entsprechend gering ist. Ein gewisser axialer Versatz muss zwischen korrespondierenden jedoch bleiben, sonst verschwindet die Antriebskraft oder ändert ihr Vorzeichen.
  • Die auf den Anker 20 wirkende magnetische Kraft kann über einen Stab 21 (Stange) aus dem Rahmen 10 herausgeführt werden, um eine mechanische Ankopplung an weitere Maschinenelemente zu ermöglichen. Der Aktor kann derart mit einer Feder 50 (siehe Fig. 5 oder Feder Fig. 8) kombiniert werden, dass er diese spannen und in gespanntem Zustand gegen die Wirkung der Federkraft in einer Endposition (d.h. am Ende des Stellweges) halten kann. Durch ein Abschalten oder eine Reduktion des für das Halten des Ankers 20 in der Endposition verantwortlichen Magnetfeldes kann der Federspeicher bedarfsweise auslöst werden, was ein Zurückschnellen des Aktors in die geöffnete Ausgangsposition zur Folge hat. Bei der Verwendung eines Permanentmagneten kann die Feder leistungslos in der gespannten Position gehalten werden. Zum Auslösen des Federspeichers wird das Feld des Permanentmagneten (vgl. Magnet C' in Fig. 5) durch ein entgegengesetzt orientiertes Feld einer Spule zumindest teilweise kompensiert, sodass die Haltekraft FH kleiner wird als die Federkraft und die Feder in die Ausgangsposition zurückschnellt. Außerdem kann der Anker 20 beim Zurückschnellen zusätzlich über die auf die Ankerspule(n) wirkende(n) elektromagnetischen Kräfte beschleunigt werden, was noch kürzere Stellzeiten ermöglicht.
  • In Kombination mit einer Feder eignen sich die dargestellten Linearaktoren, vorbekannte Federspeicherantriebe, beispielsweise in elektrischen Schaltern, vorteilhaft zu ersetzen (kurze Stellzeiten, hohe Kräfte, geringe Zahl beweglicher Teile). Dies trifft insbesondere auf solche Antriebe zu, die mit paarweise angeordneten Spulen ausgerüstet sind, von denen jeweils eine mechanisch mit dem Anker (Ankerspule) und die andere mit dem Stator (Erregerspule) verbunden ist.
  • Diese Bauweise besitzt Vorzüge, wegen derer sie besonders für hochdynamische Antriebe geeignet ist:
    • Am Hubanfang sind besonders große Kräfte darstellbar
    • Am Hubanfang können sich die Induktivitäten der einander zugeordneten (einander abstoßenden) Spulen weitgehend kompensieren, was einfach durch gleiche Windungszahl und Reihenschaltung erreicht werden kann. Dies führt, verglichen mit herkömmlichen Hubmagneten, zu einem weitaus schnelleren Kraftaufbau (kleinere Totzeit).
  • Bei den in Fig. 3, 4 und 7 offenbarten Ausführungen der Erfindung sind die genannten Vorzüge jedoch mit Nachteilen verbunden, welche für einige an sich wirtschaftlich interessante Anwendungen Ausschlusskriterien darstellen können:
    • 1. Induktivität 1.1. Die gewünscht-niedrige Anfangsinduktivität kann beim Einschalten der Antriebe zu hohen
  • Stromanstiegsraten führen, was z.B. in vielen Halbleiterschaltern (bspw. Thyristoren) zum Auftreten lokaler Überhitzungen (sog. "Hot Spots") führen kann. (Elektro-) mechanische Schalter können während des Prellens durch Funken-/Bogenentladungen zerstört werden oder vorschnell verschleißen. Um eine Beschädigung der Schalter sicher zu vermeiden, müssen diese entweder größer dimensioniert werden, was zusätzliche Kosten verursacht. Oder es muss eine Induktivität mit geschlossenem Magnetkreis und hochpermeablem Kernwerkstoff mit dem Antrieb in Reihe geschaltet werden ("magnetic switch protection"), was gleichfalls Kosten verursacht und zudem die ESR des elektrischen Kreises erhöht.
    • 2. Innenliegende Nut
  • Es werden am Stator befestigte (Erreger-)Spulen, die abstoßend auf am Anker befestigte (Anker-)Spulen wirken können, beispielsweise in innenliegenden Nuten eingebracht. Diese Anordnung (s. Fig. 3, 4 und 7) ist vorteilhaft, wenn es darum geht, bei gegebenem Ankerradius eine möglichst große Kraft über einen besonders langen Hub zu erzeugen. Daneben ist sie aber auch mit Nachteilen behaftet:
    • 2.1. Es kann für die am Stator befestigten Erregerspulen im Allgemeinen nicht auf einen Spulenkörper verzichtet werden, was den effektiven (radialen) Luftspalt (LB) erhöht und damit einerseits den erforderlichen Querschnitt des Antriebs (und damit dessen Masse und den Materialeinsatz) erhöht und andererseits dessen "Kraftkonstante" (gemeint ist F = F (x,I) mit F = Antriebskraft, x = Hublage und I = Stromstärke) mindert.
  • 2.2. Bei in innenliegenden Nuten angeordneten (Stator-) Erregerspulen besteht in langhubigen Ausführungen die Gefahr, dass eine Kante des Ankers bei der Hubbewegung auf eine Kante der innenliegenden Stator-Nut trifft. Diese Gefahr ist besonders mit Hinblick auf ein zunehmendes Spiel des Antriebs infolge von Verschleiß zu berücksichtigen. Dem kann zwar begegnet werden, indem mit besonders hochwertigen Werkstoffen, großer Fertigungsgenauigkeit und/oder mit vergleichsweise großen radialen (parasitären) Luftspalten gearbeitet wird. Diese Maßnahmen bedingen aber entweder Mehrkosten oder sie schmälern die Effizienz des Antriebs.
  • Neben den vorstehend erläuterten Nachteilen, die in manchen Ausführungen unserer Erfindung gegeben seien können, gibt es einen weiteren Nachteil, welcher alle in Fig. 1 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele betrifft:
    • Es treten (große) Kräfte am (weichen) Kupfer auf. Diese Kräfte müssen im Regelfall von Vergussmassen aufgenommen und auf Stator bzw. Anker übertragen werden. Insbesondere mit Hinblick auf die vergleichsweise kleinen Stirnflächen der Spulen (und die glatten Nuten) sind damit verbundene technische Herausforderungen dem Fachmann evident.
  • Sämtliche genannte Nachteile können durch Anordnungen, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, vermieden werden. Fig. 8 zeigt dies beispielhaft für einen Antrieb mit einer auf den Anker gewickelten ersten Ankerspule A sowie einer (Stator-)Erregerspule B und einer dieser Erregerspule B zugeordneten zweiten Ankerspule A1:
    • Der Rahmen ist aus mehreren weichmagnetischen Teilen zusammengesetzt, wobei derjenige Teil, in welchem der Anker sich bewegt (Rahmen(1)), mit einer außenliegenden anstelle einer innenliegenden Nut versehen ist. In diese Nut wird die der zweiten Ankerspule A1 zugeordnete Erregerspule B gewickelt. Die außenliegende Nut wird sodann mit weiterem weichmagnetischen Material magnetisch umschlossen, in Abbildung 8 geschieht dies mittels des Bauteils Rahmen(2).
  • Die Abbildung stellt den Antrieb in seiner Hubanfangslage dar, die Windungen sind nicht eingezeichnet. Wie zu sehen ist, wird durch die außenliegende Nut in der Hubanfangslage eine Art "weichmagnetischer Brücke" zwischen den sich überlappenden Spulen (Erregerspule B, zweite Ankerspule A1) gebildet. Damit es zwischen diesen Spulen zu einer nichtverschwindenden repulsiven Wechselwirkung kommen kann, müssen diese natürlich gegensinnig bestromt werden. Der Strom induziert in der "weichmagnetischen Brücke" einen magnetischen Fluss, was wegen der hohen relativen Permeabilität weichmagnetischer Werkstoffe zu einer hohen Anfangsinduktivität des Antriebs führt (es ist vorteilhaft, die einander zugeordneten Spulen mit ungefähr gleicher Windungszahl zu wickeln und in Reihe zu schalten). Die hohe Anfangsinduktivität erlaubt dem zum Schalten des Antriebs verwendeten Schalter, vollständig leitend zu werden, bevor ein großer Strom durch die Antriebsspulen fließt. Dies schont den Schalter (s.o.).
  • Der Antrieb setzt sich in Bewegung, wenn die "weichmagnetische Brücke", in der Bewegungsrichtung magnetisch durchflossen, gesättigt ist. Er wirkt dann wie andere erfindungsgemäße Antriebe in Kombination mit einem Proportionalmagneten (die Ankerbewegung verkürzt in Bewegungsrichtung die Feldlinien in der gesättigten "weichmagnetischen Brücke").
  • Darüber hinaus gleitet nach Fig. 8 der Anker in einem kontinuierlichen, rohrähnlichen Gebilde; es besteht nicht mehr die Möglichkeit, dass "Kante auf Kante" triff. Der parasitäre (radiale) Luftspalt kann nach Abbildung 8 in einfacher Weise klein gehalten werden.
  • Damit sind alle oben stehenden Probleme beseitigt mit Ausnahme der Kraftübertragung "vom Kupfer auf das Eisen". Dieser letzten Aufgabe wird entsprechend Fig. 8 begegnet, indem in die außenliegenden Nuten an Anker und Stator entweder (Flach-)Gewinde geschnitten oder eine Vielzahl kleiner weiterer Nuten eingebracht werden (die Nuten werden beispielsweise durch eine Vielzahl paralleler, in Umfangsrichtung unterbrochener und den Umfang umlaufender Stege gebildet). Der Wickeldraht wird ganz oder teilweise in diese kleineren Nuten bzw. das (Flach-)Gewinde gewickelt, anschließend wird wie zuvor vergossen. Dies ermöglicht einerseits eine Verteilung der auf das Kupfer wirkenden Kraft auf Flanken der Nuten bzw. der Gewinde, ggf. wird die Vergussmasse mit dem Anker regelrecht verzahnt. Andererseits tritt ein Teil der Kraft gar nicht mehr als (Lorentz-)Kraft am Kupfer sondern vielmehr als sog. Magnetischer Querdruck an den Flanken der Nuten bzw. der Gewinde auf, und damit an einem viel robusteren Teil, nämlich am Anker selbst, der üblicherweise aus einer Eisenlegierung besteht. Zusätzlich werden die in den Nuten/Gewinden liegenden Wicklungen beim Betrieb elektromagnetisch in selbige gepresst - dieser Effekt wird vielfach in üblichen rotierenden elektrischen Maschinen ausgenutzt. Isolationsprobleme zwischen Wicklung und "Eisen" können durch bekannte Maßnahmen wie bspw. die Verwendung eines geeigneten Lackdrahts (insb. Polyamidimid-isolierter Kupferlackdraht und insb. Profildraht) und/oder geeigneter Vergussmasse von jedem Fachmann sicher vermieden werden. Als zusätzliche Maßnahme zur Isolation des Ankers gegenüber den Spulen kann selbstverständlich auch der Anker nach bekannten Verfahren mit elektrisch isolierenden Schichten versehen werden, beispielsweise durch Tauchen, Bedampfen, Anodisieren etc.. Dabei kann die Auftragung der isolierenden Schichten nach bekannten Maßnahmen auf die elektrisch relevanten Bereiche beschränkt werden; es kann aber auch der gesamte Anker beschichtet werden und die Schicht gleichsam als Teil des Gleitlagers dienen, die Anker und Rahmen(1) bilden können, sofern keine separate Bauch- oder Stangenlagerung vorgenommen wird (die beispielsweise mit weichmagnetischem Lagermetall gebildet wird).
  • Wie bereits erwähnt, sind die oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Antriebe gute geeignet, in Kombination mit Federn bekannte Federspeicherantriebe in elektrischen Leistungsschaltern zu ersetzen (als Direktantriebe): Dies gilt für alle Ausführungsbeispiele. Besonders interessant ist im Zusammenhang die Möglichkeit, die Antriebe direkt in die Gasräume von Hochspannungs-Leistungsschaltern einzubauen oder in die (Vakuum-)Röhren von Nieder- und Mittelspannungs-Leistungsschaltern. Dies ermöglicht den Verzicht auf aufwendige Dichtungen (z.B. Drehdichtungen für SF6-isolierte Hochspannungsleistungsschalter oder Metallfaltenbälge im Fall von Vakuumschaltröhren) und reduziert stark die Anzahl beweglicher Teile, was einerseits kostensparend ist und andererseits der Zuverlässigkeit zu Gute kommt. Durch die im Vergleich zu herkömmlichen Magnetantrieben weitaus höhere Dynamik sind erfindungsgemäße Antriebe besonders für synchronisierte Schalter (also Schalten im Nulldurchgang des Stromes) geeignet, und zwar auch für solche, bei denen die Antriebe in herkömmlicher Weise außerhalb der Gas- bzw. Vakuumräume angeordnet sind.
  • Abschließend werden ein Schaltzyklus und eine vorteilhafte Beschaltung anhand des Beispieles des in Fig. 8 dargestellten Antriebes beschrieben:
    • Der Antrieb besitzt drei Spulen, nämlich eine erste Ankerspule A sowie eine Erregerspule B und eine der Erregerspule B zugeordnete zweite Ankerspule A1. Die Erregerspule B und die zweite Ankerspule A1 besitzen beispielsweise die gleiche Windungszahl und werden so in Reihe geschaltet, dass sie gegensinnige Magnetfelder erzeugen. Zum ersten Betätigen des Antriebes wird vorzugsweise ein Kondensator geladen und über die in Reihe geschalteten Spulen A1, B entladen, zum Beispiel mit Hilfe eines Thyristors, und zwar während der Anker sich in der Hubanfangslage befindet - der zur ersten Ankerspule A gehörende axiale Arbeitsluftspalt ist also zuerst voll geöffnet. Dabei führt die allseitige Umschließung von Erregerspule B und Ankerspule A1 mit weichmagnetischem Werkstoff durch Anker, Rahmen(1) und Rahmen(2) zunächst zu einer hohen Induktivität (geschlossener Magnetkreis) und damit zu einer kleinen initialen Stromanstiegsrate. Dies schont den Thyristor. Der durch Erregerspule B und zweite Ankerspule A1 induzierte magnetische Fluss führt bald zu einer partiellen Sättigung des Magnetkreises im Bereich des geringsten (effektiven) Querschnitts, also der von Stator(1) gebildeten "weichmagnetischen Brücke" (in Fig. 8 als Flachgewinde der Erregerspule B ausgebildet). Zur Veranschaulichung mag man sich zwei magnetische Teilkreise vorstellen, nämlich einen um Erregerspule B und einen um die zweite Ankerspule A1, welche mit der "weichmagnetischen Brücke" einen gemeinsamen Pfad teilen. Durch die partielle Sättigung wird der Magnetkreis sehr schnell geöffnet, die Induktivität der Reihenschaltung (A1, B) nimmt rapide ab und der Strom stark zu. Infolge der Sättigung entsteht an Anker und zweiter Ankerspule A1 eine Kraft, die den Anker gegen die Druckfeder so bewegt, dass der axiale Luftspalt des Magnetkreises der bisher nicht betrachteten ersten Ankerspule A, einer Zugspule, geschlossen wird. Ankerspule A kann mit den anderen Spulen in Reihe oder parallel geschaltet werden, wobei eine Reihenschaltung die Dynamik des Antriebs mindert. Ankerspule A kann auch mit einer anderen Leistungsquelle versorgt oder mit einem weiteren Schalter/Thyristor verzögert bestromt werden. Bei Erreichen der Hubendlage wird der axiale Arbeitsluftspalt über Ankerspule A kleiner als der durch die Wickelhöhe von Ankerspule A (ungefähr) gegebene radiale Luftspalt, und Anordnung wirkt zunehmend wie ein konventioneller Hubmagnet (vgl. Fig. 1); ein Strom durch Ankerspule A erzeugt also eine Haltekraft, wenn der Anker sich der geschlossenen Endposition nähert (nicht abgebildet). Diese Haltekraft vermag bei sinnvoller Auslegung die dargestellte Druckfeder gespannt zu halten. Damit der Antrieb nicht, von der Druckfeder angetrieben, sofort zurückschnappt, sondern länger in der Endlage gehalten werden kann, sind bei der Leistungsversorgung Mittel vorzusehen, Ankerspule A entsprechend mit Strom zu versorgen. Eine Unterbrechung des Stromes führt dann zur federgetriebenen Rückstellung des Antriebes in die Hubanfangslage (geöffnete Endposition). Selbstverständlich kann ein Antrieb nach Fig. 8 zusätzlich mit einer Haltespule C ausgerüstet werden wie im Beispiel aus Fig. 7, sodass die andauernd darstellbare Haltekraft gegen die Feder bei gleichbleibendem Antriebsquerschnitt ungefähr verdoppelt werden kann. Im Bereich von Haltespule C wirkt die Anordnung wie ein bekannter Elektro- bzw. Hubmagnet, und entsprechend können bei der Ausgestaltung des Antriebs vielfältige bekannte Bauweisen von Elektromagneten Anwendung finden (bspw. Anker-Ankergegenstück-Systeme, Druckrohre, Mittel zum Dämpfen von Wirbelströmen, Kurzschlusswicklungen etc.).

Claims (15)

  1. Elektromagnetischer Linearaktor umfassend:
    einen Stator (10), der zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material besteht;
    einen Anker (20), der zumindest teilweise aus weichmagnetischem Material besteht und der an dem Stator (10) derart gelagert ist, dass der Anker (20) entlang einer Längsachse (1) relativ zum Stator (10) bewegbar ist, wobei Anker (20) und Stator (10) derart ausgebildet sind, dass entlang der Längsachse (1) in einer geöffneten Position ein Spalt (LA) zwischen Anker (20) und Stator (10) vorliegt und in einer geschlossenen Position Anker (20) und Stator (10) aneinander anliegen, sodass der Spalt (LA) geschlossen ist;
    eine erste Ankerspule (A, A1), die mit dem Anker (20) derart verbunden ist, dass eine auf die erste Ankerspule (A, A1) wirkende Kraft auf den Anker (20) übertragbar ist; und
    Mittel zum Erzeugen eines Erreger-Magnetfeldes (A, B, A1, B1, C), das zumindest teilweise durch Stator (10) und Anker (20) geführt und derart gerichtet ist, dass auf die erste Ankerspule (A, A1), wenn sie bestromt ist, eine Kraft wirkt, die auf den Anker (20) übertragen wird, um den Spalt (LA) zu schließen, wobei Stator, Anker und Erreger-Magnetfeld weiter derart ausgebildet sind, dass bei geschlossenem Spalt (LA) zwischen Stator (10) und Anker (20) eine Haltekraft wirken kann, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Mittel zum Erzeugen des Erregerfeldes neben der ersten Ankerspule (A, A1) eine dieser zugeordnete und mit dem Stator mechanisch verbundene Erregerspule (B, B1) umfasst, wobei die erste Ankerspule (A, A1) und die Erregerspule (B1), wenn sie bestromt sind, gegensinnige Magnetfelder erzeugen, welche sich überlagern und so ein resultierendes Erregerfeld mit einer quer zur Längsachse orientierten Feldkomponente bilden, und dass in einer offenen Position die erste Ankerspule (A, A1) und die ihr zugeordnete Erregerspule (B, B1) derart benachbart angeordnet sind, dass bei bestromten Spulen die quer zur Längsachse orientierte Feldkomponente des Erregerfelds mit der ersten Ankerspule (A, A1) derart wechselwirkt, dass auf die erste Ankerspule (A, A1) eine den axialen Spalt (LA) schließende Kraft in Längsrichtung wirkt.
  2. Linearaktor gemäß Anspruch 1, bei dem der Stator (10) einen Anschlag aufweist, an dem der Anker (20) in geschlossener Position anliegt.
  3. Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem das Mittel zum Erzeugen des Erregerfeldes einen weitere Erregerspule (C) aufweist, die mechanisch mit dem Stator (10) verbunden ist und die in Längsrichtung derart angeordnet ist, dass der Anker (20) in offener Position nicht oder nur teilweise in die weitere Erregerspule (C) eintaucht und in geschlossener Position:
    der Anker (20) als Eisenkern der weiteren Erregerspule (C) dient,
    oder
    der Anker (20) mit der weiteren Erregerspule (C) derart gekoppelt ist, dass beim Bestromen der weiteren Erregerspule (C) eine Haltekraft zwischen Anker (20) und Stator (10) wirkt, oder
    der Anker zusammen mit dem Stator die weitere Erregerspule (C) magnetisch kurzschließt.
  4. Linearaktor gemäß Anspruch 3, bei dem die erste Ankerspule (A, A1) in geschlossener Position unmittelbar benachbart zu der weiteren Erregerspule (C) liegt.
  5. Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen Anker (20) und Stator (10) ein radialer Luftspalt (LB) besteht, der in axialer Richtung durch die Position von Ankerspule (A) und zugehöriger Erregerspule (B) begrenzt wird.
  6. Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen Anker (20) und Stator (10) ein radialer Luftspalt (LB) besteht, der in axialer Richtung durch die Position von Ankerspule (A, A1) und zugehöriger Erregerspule (B, B1) begrenzt wird, wobei Anker und Stator derart ausgestaltet sind, dass der radiale Luftspalt (LB) in geschlossener Position magnetisch kurzgeschlossen ist.
  7. Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem
    Anker (20) und Stator (10) zusammen mit dem Spalt (LA) als axialen Luftspalt einen Magnetkreis bilden, in dem das Erreger-Magnetfeld geführt wird;
    das Mittel zum Erzeugen eines Erreger-Magnetfeldes eine weitere Ankerspule (A2) aufweist, wobei die weitre Ankerspule (A2) derart am Anker (20) angeordnet ist und Rahmen und Anker derart ausgestaltet sind, dass in der geöffneten Position des Ankers (20) sich das Erreger-Magnetfeld in radialer Richtung quer zur Längsachse konzentriert und die weitere Ankerspule (A2) radiale durchsetzt.
  8. Linearaktor gemäß Anspruch7, bei dem der Anker (20) entlang der Längsachse gleitend in dem Stator (10) geführt ist und bei dem der Anker (20) einen Anschlag aufweist, an dem bei geschlossenem Luftspalt (LA) eine Stirnfläche des Stators (10) anliegt, sodass ein nahezu geschlossener Magnetkreis gebildet wird, der das Erregerfeld führt.
  9. Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Anker (20) und Stator (10) derart ausgestaltet sind, dass in der geschlossenen Position das Erregerfeld/die Erregerfelder, das/die quer zur Längsachse verläuft/verlaufen, magnetisch zumindest annähernd kurzgeschlossen ist/sind.
  10. Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Mittel zum Erzeugen des Erregerfeldes eine weitere Erregerspule (C) aufweisen, die mechanisch mit dem Stator (10) verbunden ist und die in Längsrichtung derart angeordnet ist, dass der Anker in offener Position nicht oder nur teilweise in die weitere Erregerspule (C) eintaucht und in geschlossener Position
    der Anker (20) als Eisenkern der weiteren Erregerspule (C) dient,
    oder
    der Anker (20) mit der weiteren Erregerspule (C) derart gekoppelt ist, dass beim Bestromen der weiteren Erregerspule (C) eine Haltekraft zwischen Anker (20) und Stator (10) wirkt, oder
    der Anker zusammen mit dem Stator die weitere Erregerspule (C) magnetisch kurzschließt.
  11. Linearaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ankerspule(n) in einer den Anker (20) in Umfangsrichtung umlaufenden Nut angeordnet sind und/oder bei dem die Erregerspule(n) in einer den Stator (10) in Umfangsrichtung umlaufenden Nut angeordnet sind.
  12. Linearaktor gemäß Anspruch 11, bei dem zumindest eine Ankerspule (A) die zugehörige Nut nicht vollständig ausfüllt und der verbleibende Raum in der Nut mit einem Gleitlagerwerkstoff (30) gefüllt ist, wobei bei einer Bewegung des Linearaktors der Gleitlagerwerkstoff (30) an einer Innenfläche des Stators (10) gleitet.
  13. Linearaktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass er mindestens eine am Stator befestigte Erregerspule besitzt und dass der Stator aus mehreren weichmagnetischen Teilen zusammengesetzt ist, von denen zumindest eines als Rohr ausgebildet ist, in welchem der Anker geführt wird,
    wobei die am Stator befestigte Erregerspule von außen auf ein als Rohr ausgebildetes Stator-Teil gewickelt wird, beispielsweise in eine Nut,
    wobeid as Rohr im Bereich der Wicklung so dünnwandig ist, dass es in Richtung der Ankerbewegung wesentlich weniger magnetischen Fluss führen kann als der Anker selbst, ohne zumindest teilweise zu sättigen, und
    wobei die auf das Rohr gewickelte Erregerspule mit einem oder mehreren weiteren Stator-Teilen derart umgeben ist, dass mit dem Rohr ein geschlossener Magnetkreis gebildet wird, dessen magnetischer Pfad überall einen größeren Querschnitt besitzt als der minimale Querschnitt des bewickelten Rohres,
    sodass bei wachsendem Strom in der Erregerspule, in Abwesenheit des Ankers, zuerst der mit der Erregerspule bewickelten Teil des Rohres sättigt.
  14. Hochspannungsleistungsschalter der mindestens Feder aufweist sowie einen Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Spannen der Feder und Halten der Feder in gespanntem Zustand.
  15. Federspeicherantrieb umfassend eine Feder und einen Linearaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Spannen der Feder und Halten der Feder in gespanntem Zustand.
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