EP2686853B1

EP2686853B1 - Elektromagnetische aktuatorvorrichtung

Info

Publication number: EP2686853B1
Application number: EP12714594.4A
Authority: EP
Inventors: Raphael BORY; Jonas BOLL; Daniela HÄRTER; Robert STEYER; Philipp TERHORST; Thomas Schiepp; Markus Laufenberg; Oliver Thode; Viktor Raff
Original assignee: ETO Magnetic GmbH
Current assignee: ETO Magnetic GmbH
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: WO2012123538A1; CN103443877B; US9117583B2; CN103443877A; EP3211645A1; DE202011004021U1; US20140125437A1; EP2686853A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der JP 2000 170951 A bekannt und betrifft eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung zur Realisierung eines 3-Wege-Ventils, bei welcher, in Abkehr von üblichen und darüber hinaus als bekannt vorauszusetzenden Aktuatortechnologien, die Spulenwicklung nicht den Anker (bzw. den zugehörigen Arbeitsluftspalt) umschließt, vielmehr die Spulenwicklung, in der Art einer "ausgelagerten Spule", gegenüber einer Anker-Bewegungslängsachse (bzw. einem zugehörigen Luftspalt) lateral versetzt ist und eine magnetische Flussübertragung zur Ankereinheit bzw. zum Luftspalt mittels geeigneter flussleitender Abschnitte des Jochs erfolgt.
Allerdings erfolgt die Offenbarung gemäß JP 2000 170951 A in einem sehr speziellen technischen Kontext, der insbesondere eine Übertragung auf andere, generische Stellaufgaben (oder aber auf andere Ventilantriebe) nur sehr begrenzt möglich macht. Zudem benötigt auch die aus diesem Stand der Technik bekannte Vorrichtung einen nicht unbeträchtlichen Bauraum, wobei zusätzlich eine Wärmeabfuhr von der bekannten Vorrichtung nicht unproblematisch ist. Zum weiteren Stand der Technik werden die DE 20 2008 015980 U1 der Anmelderin sowie die EP1 288 487 A2 und die DE 101 46 899 A1 genannt, die jeweils eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbaren. Weitere elektromagnetische Aktuatorvorrichtungen sind in US4633209 und DE 20 2008 015 303 U1 offenbart. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, bei welcher eine bestrombare Spuleneinheit einen ersten Jochabschnitt einer stationären Jocheinheit umschließt und relativ zur Jocheinheit bewegbar geführte, mit einem Stellpartner zusammenwirkende und zum Ausführen einer Stellbewegung antreibbare Ankermittel mit zweiten Jochabschnitten der Jocheinheit unter Ausbildung von Arbeitsluftspalten zusammenwirken, im Hinblick auf eine kompaktere, insbesondere auch flexiblere mechanische Realisierung zu verbessern, dabei insbesondere die Möglichkeit zu schaffen, die Spuleneinheit vom Arbeitsluftspalt zu separieren, und die Möglichkeit zu schaffen, eine verbesserte Wärmeabfuhr zu realisieren bzw. Wärme lokal verteilt (und damit weniger auf einen Ort konzentriert) entstehen zu lassen.
Die Aufgabe wird durch die elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Erfindungsgemäss sind die Arbeitsluftspalte außerhalb des ersten Jochabschnitts gebildet, mithin also nicht von einer (weiterbildungsgemäß typischerweise zylindrisch oder rechteckförmig ausgebildeten) Spuleneinheit umschlossen ist, sondern im vorstehend diskutierten Sinne lateral ausgelagert ist.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung mit einer Mehrzahl von magnetische Flussleitkreisen in der Jocheinheit, wobei jeder der Flussleitkreise durch den (die gemeinsame Spule tragenden) ersten Jochabschnitt sowie über einen jeweiligen einer der Mehrzahl der Ankereinheiten zugeordneten Luftspalte verläuft, ist ein magnetischer Flusswiderstand von Flussleitmitteln mindestens eines der magnetischen Flussleitkreise in Abhängigkeit von einem darin fließenden magnetischen Fluss veränderlich. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass durch geeignete Ausgestaltung eines wirksamen Flussleitquerschnittes dieser Flussleitmittel ab einer vorbestimmten magnetischen Flussdichte eine Sättigung auftritt, mithin ab dieser Schwelle der magnetische Flusswiderstand erhöht ist. Konsequenz dieses Effektes ist, dass dann ein Magnetfluss vom betreffenden Flussleitkreis in einen anderen der Flussleitkreise verdrängt wird, insoweit dann eine Ankerbewegung ausgelöst oder beeinflusst werden kann.
Weitere Möglichkeiten zur Voreinstellung bzw. vorbestimmten Beeinflussung des Bewegungsverhaltens der Mehrzahl der Ankereinheiten (in den jeweiligen Jochzweigen) besteht darin, die Luftspalte unterschiedlich auszugestalten (jeweils bezogen auf eine vorbestimmte, vergleichbare Ankerposition, etwa eine Anschlagposition der Ankereinheiten). Dabei ist es insbesondere weiterbildungsgemäß bevorzugt, den wirksamen Luftspalt in einem jeweiligen Jochzweig zu variieren bzw., entsprechend einem beabsichtigten Bewegungsverhalten (etwa einer beabsichtigten Reihenfolge einer Aktivierung), unterschiedlich einzurichten.
Eine weitere Möglichkeit, das Schalt- bzw. Bewegungsverhalten einer jeweiligen Ankereinheit der Ankermittel zu beeinflussen, liegt darin, dieser Ankereinheit Federmittel oder dergleichen Kraftspeicher zuzuordnen und etwa weiterbildungsgemäß eine oder mehrere der Ankereinheiten gegen eine Rückstellkraft einer derartigen Feder zu lagern bzw. zu führen (wobei wiederum weiterbildungsgemäß durch unterschiedliche Ausgestaltungen etwa der Federkräfte dann das jeweilige Schalt- bzw. Bewegungsverhalten der zugeordneten Ankereinheiten vorbestimmt beeinflusst werden kann). Im Rahmen weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, die Jocheinheit mittels geeigneter blechförmiger, weiter bevorzugt durch Stanzen hergestellter Flussleitelemente, ggf. geeignet gestapelt, zu realisieren, um auch hier, neben Vorteilen in der Herstellung, Wirbelströme zu reduzieren.
Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung liegt es ferner, die Spuleneinheit im Rahmen der Erfindung mit beliebigen Umfangskonturen bzw. Querschnitten zu versehen, um insoweit wiederum die baulich-konstruktiven Optimierungsmöglichkeiten zu nutzen; neben zylindrischen Außenkonturen ist es dabei insbesondere vorteilhaft und weiterbildungsgemäß beansprucht, die Spuleneinheit querschnittlich rechteckig auszugestalten.
Im Ergebnis eignet sich die erfindungsgemäße elektromagnetische Aktuatorvorrichtung zwar bevorzugt zur Realisierung von Hydraulik- oder Pneumatikventillösungen, insbesondere im Fahrzeugbereich, ist jedoch nicht auf diese Anwendungsgebiete beschränkt. Vielmehr lässt sich die vorliegende Erfindung günstig für nahezu beliebige Anwendungsgebiete nutzen und geeignet konfigurieren, bei welchen bauliche bzw. räumliche Flexibilität in Verbindung mit flexibel gestaltbaren magnetischen Flussführungen bzw. Flussverläufen innerhalb der jeweiligen Flussleitkreise genutzt werden können.
Weitere Vorteile, bevorzugte Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:

Fig. 1:: eine Prinzipdarstellung einer elektromagnetischen Aktuatorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zum Verdeutlichen des prinzipiellen Zusammenwirkens der verschiedenen Funktionskomponenten;
Fig. 2 - Fig. 4:: verschiedene Betriebs- bzw. Magnetfluss- und Schaltzustände der Vorrichtung gemäß Fig. 1, verdeutlicht durch einen jeweiligen Magnetfluss symbolisierende Pfeilschaaren;
Fig. 5:: eine Perspektivansicht einer Ausführungsform der elektromagnetischen Aktuatorvorrichtung welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist

Fig. 6 - Fig. 8:: konstruktive Varianten der Ausgestaltung eines Flussleitelements in weiteren nicht Teil der Erfindung seienden Beispielen gegenüber dem Beispiel der Fig. 5.

Die Fig. 1 verdeutlicht in der schematischen Längsschnittansicht eine elektromagnetische Aktuatorvorrichtung zum Antreiben zweier Ankereinheiten 10, 12 mittels einer gemeinsamen, zentral (mittig) zwischen diesen auf einem Jochabschnitt 13 vorgesehenen Spuleneinheit 14. Genauer gesagt sind, wie schematisch anhand des Schaubilds der Fig. 1 erkennbar, die langgestreckt dargestellten Ankereinheiten 10 bzw. 12 axial beweglich geführt (in einer Bewegungs- und Antriebsrichtung senkrecht in der Zeichnungsebene), wobei die Ankereinheiten 10 und 12 zusammenwirken mit stationären Jochabschnitten 15 bzw. 16 und, zur Realisierung entsprechender, gemeinsam durch die Spuleneinheit 14 verlaufender Flussleitkreise, die über flussleitende Verbindungsabschnitte 18 bis 24 geführt sind. Entsprechend entstehen für die Ankereinheiten 10 bzw. 12 wirksame Luftspalte 26 bzw. 28.
Die Fig. 2 bis 4 verdeutlichen verschiedene Betriebszustände als Reaktion auf eine Bestromung der Spuleneinheit 14: So zeigt etwa die Fig. 3 zwei Flussverläufe in den durch die jeweiligen Anker 10 bzw. 12 verlaufenden Flussleitkreise anhand der Pfeilschaaren 30 bzw. 32, wobei diese Magnetflüsse durch den der Spuleneinheit 14 zugeordneten Jochabschnitt 13 ("ersten Jochabschnitt") fließen, wie durch die Pfeilschaar 34 symbolisiert. Ist dagegen, wie in der Fig. 2 gezeigt, durch einen verkürzten Luftspalt 28 ein wirksamer Flusswiderstand im rechten Flussleitkreis (d.h. bezogen auf die Ankereinheit 12) gegenüber dem anderen Zweig vermindert, konzentriert sich der Magnetfluss, wie durch die Pfeilschaar 36 in Fig. 2 gezeigt, auf diesen rechten Bereich, mit der Wirkung, dass primär eine Antriebswirkung auf die Ankereinheit 12 in Richtung auf das statische Element 16 entsteht, entsprechend dieser Luftspalt dann geschlossen wird (Darstellung der Fig. 4). Durch diese Wirkung und eine entsprechende (Querschnitt-) Dimensionierung im rechtseitigen Flussleitkreis (z.B. der flussleitenden Komponenten 16, 20, 24 bzw. 12) tritt dann jedoch eine Sättigung in diesem Flussleitkreis auf, mit der Wirkung, dass durch den dadurch wiederum erhöhten Flusswiderstand ein Teil des Magnetflusses in den linken Flussleitkreis, wirksam für die Ankereinheit 10, verdrängt wird. Entsprechend kommt es durch diesen verdrängten Fluss 38 zu einer Kraftbeaufschlagung der Ankereinheit 10, welche darauffolgend den Luftspalt 30 schließt. Mithin verdeutlicht die gezeigte asymmetrische Konfiguration (ausgehend von der Fig. 2), wie etwa ein unterschiedliches, hier zeitlich aufeinanderfolgendes, Bewegungs- bzw. Schaltverhalten der Ankereinheiten provoziert werden kann.
Alternativ kann eine derartige Wirkung auch durch geeignet an den Ankereinheiten vorzusehende Federmittel (mit entsprechend verschiedenen Federkräften) realisiert werden, wiederum ergänzend oder alternativ mittels vorbestimmt eingestellter und dann entsprechend eine Sättigung erreichender wirksamer magnetischer Flussquerschnitte der beteiligten flussleitenden Komponenten.
Mechanisch befinden sich bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 beide Ankereinheiten 10 bzw. 12 unmittelbar am Spulenumfang bzw. diesem benachbart, sodass in potentiell einen Spulenwirkungsgrad erhöhender Weise eine optimierte Feldlinienbündelung über beide Anker und damit beidseits der Spuleneinheit erfolgt, vergleiche die Fig. 3. Eine geometrisch-mechanische Unsymmetrie, etwa durch Variation der jeweiligen Ankerabstände von der mittleren Spule, gestattet dann hier wiederum das Einrichten geeigneter abweichender Flussverläufe bzw. davon bestimmter Ankerbewegungen. Nicht Teil der Erfindung ist ein Beispiel, welches in in den Figuren nicht gezeigter Weise lediglich eine Ankereinheit mit einem zugehörigen zweiten Jochabschnitt, bevorzugt seitlich beabstandet bzw. benachbart zur Spuleneinheit, vorsieht. Auch dieses einfachste Beispiel realisiert bereits das Prinzip des ausgelagerten Ankers, nämlich eines im Rahmen eines Flusskreiszweiges vorgesehenen und seitlich bzw. benachbart angeordneten Ankers (samt zugehörigem Luftspalt), so dass eine Ankerbewegungsrichtung zwar weiterbildungsgemäß achsparallel zu einer Erstreckungsrichtung der Spuleneinheit (bzw. des zugehörigen ersten Jochabschnitts) erfolgen kann, diese Achsen jedoch nicht mehr koaxial verlaufen.
Anhand der Fig. 5 bis 8 wird nachfolgend ein Aspekt, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, anhand eines weiteren Beispiels beschrieben. Eine erste Variante verdeutlicht die Fig. 5 in der perspektivischen Ansicht: Beidseits einer einen axial beweglichen Anker 40 sowie einen stationären Jochabschnitt 42 aufweisenden mittleren Anordnung ist ein Paar von Einzelspulen 44 bzw. 46 vorgesehen, dergestalt, dass Anker 40 bzw. Stator 42 beidseits von den Einzelspulen 44, 46 umrahmt sind. Ein (bei Bestromung der Spulen entstehender) Magnetfluss der Spulen 44 bzw. 46 wird über gemeinsame, langgestreckt-plattenförmige Flussleitelemente 48 bzw. 50 in den Anker 40 bzw. den Stator 42 eingetragen, wobei die Elemente 48 bzw. 50 zusätzlich für eine mechanische Verbindung der Gesamtanordnung (mit einer Austrittsöffnung 52 für die Ankereinheit) sorgen.
Im Hinblick auf eine Flussführung in dieser Vorrichtung sind wiederum zwei Flussleitkreise ausgebildet, wobei ein jeweiliger der Flussleitkreise durch eine der Einzelspulen 44 bzw. 46 verläuft und beide Flussleitkreise dann gemeinsam durch die Anker-Stator-Anordnung 40, 42 fließen (insoweit entspricht der Flussverlauf analog der Fig. 3, jedoch bei einem Vorsehen einer mittleren Anker-Stator-Anordnung und zwei außenliegenden Einzelspulen).
Diese prinzipielle Konfiguration der Fig. 5 ist gleichwohl weder auf zwei Einzelspulen, noch etwa die gezeigte symmetrische Anordnung beschränkt; vielmehr kann, etwa durch Variation der Geometrie der Elemente 48, 50, eine Abstandsänderung erfolgen, es kann auch, wie in den Fig. 6 bis 8 verdeutlicht, eine gegenüber den langgestreckten Elementen 48, 50 geeignet abgeknickte Konfiguration vorliegen, oder aber es können mehr als zwei Einzelspulen um eine (oder aber auch um mehrere) gemeinsame Anker-Stator-Anordnung(en) herum vorgesehen sein: So beschreibt etwa die Fig. 6 in der Draufsicht eine Variation der Elemente 48 bzw. 50, dergestalt, dass nunmehr zwei Schenkel 54, 56, voneinander um einen Winkel 58 von ca. 135° abgewinkelt, sich erstrecken und endseitig, vergleiche Fig. 8, mit den Einzelspulen 44 bzw. 46 flussleitend verbunden sind. Eine Vergleichsanordnung der als bekannt vorausgesetzten, traditionellen Art in der Darstellung der Fig. 7 verdeutlicht den dadurch realisierten Einbauraum- bzw. Geometrievorteil: Um nämlich ein dem Paar von Einzelspulen 44, 46 vergleichbares magnetisches Flussverhalten zu erzeugen, müsste eine Einzelspule eines Wicklungsquerschnitts 60, wie in Fig. 7 angedeutet, vorhanden sein, was aber möglicherweise in einem beschränkten Einbauraum (angepasst an die Konfiguration der Fig. 6, 8) nicht möglich ist.
Ein weiterer Vorteil des Beispiels mit einer Mehrzahl von benachbart einer Anker-Stator-Anordnung vorgesehener Einzelspulen mit sich addierendem bzw. überlagerndem Flussverlauf, etwa der in Fig. 5 bzw. Fig. 6 und 8 gezeigten Art, liegt darin, dass mögliche Querkräfte (auf den Anker) im Vergleich zu einer Lösung mit lediglich einer benachbart der Ankereinheit ausgelagerten Spule verringert sind (da insoweit eine gegenseitige Kompensation stattfindet, vergleiche etwa das Flussdiagramm der Fig. 3 bei analoger Anwendung auf eine Anordnung mit zwei außenliegenden Einzelspulen). Gerade bei Produkten mit hohen Lebensdaueranforderungen, wie etwa im Ventilbereich, wirkt sich eine derartige Verringerung der Querkräfte auf den Anker günstig auf einen Verschleiß und mithin eine wirksame Nutzungsdauer aus.
Die vorliegende Erfindung, unabhängig von den gezeigten oder weiteren möglichen Ausführungsformen, ermöglicht zahlreiche praktische Vorteile: So bietet etwa das Anordnen der Ankermittel in einer Verwendung als Ventil deutlich flexiblere Anschlussmöglichkeiten in der erfindungsgemäßen Konfiguration benachbart der Spuleneinheit etwa gegenüber dem bekannten Stand der Technik, bei welchem typischerweise die langgestreckte Ankereinheit von der Spuleneinheit (typischerweise zylindrisch-radial) umgeben ist. Entsprechend kann der Arbeitsluftspalt flexibler (und geeignet für einen jeweiligen Anwendungsfall) ausgestaltet werden. Zusätzlich weiterbildungsgemäß vorteilhaft ist vorgesehen, angepasst an jeweilige Einbau- und Raumbedingungen, die nicht mit zylindrischer Wicklung zu versehen, sondern etwa rechteckige oder andere Spulenquerschnitte vorzusehen. Dies gilt insbesondere im Zusammenwirken mit flussleitenden Elementen, welche mithilfe von (typischerweise durch Stanzen hergestellten) Blechen realisiert sind und weiter vorteilhaft in geeigneten Stapelkonfigurationen vorliegen.
Damit lässt sich auch für die vorliegende Erfindung der Vorteil einer Wirbelstromreduktion (gerade für höhere Frequenzen) geblechter Flussleitelemente nutzen.

Claims

Elektromagnetische Aktuatorvorrichtung mit
einer einen ersten Jochabschnitt (13) einer stationären Jocheinheit der Aktuatorvorrichtung umschließenden und durch Bestromung aktivierbaren Spuleneinheit (14);
und relativ zur Jocheinheit bewegbar geführten, mit einem abtriebsseitigen Stellpartner zusammenwirkenden und zum Ausführen einer Stellbewegung antreibbaren Ankermitteln (10, 12), die mit zweiten Jochabschnitten (15, 16) der Jocheinheit unter Ausbildung von Luftspalten (26, 28) für einen durch die aktivierte Spuleneinheit erzeugten Magnetfluss zusammenwirken,
dadurch gekennzeichnet, dass einem Außenmantel der Spuleneinheit radial außenseitlich benachbart die Ankermittel vorgesehen sowie dort eine Mehrzahl der zweiten Jochabschnitte (15, 16) zum Zusammenwirken mit einer Mehrzahl getrennt voneinander bewegbar geführten Ankereinheiten (10, 12) der Ankermittel so ausgebildet ist,
dass unter Ausbildung einer Mehrzahl der einer jeweiligen Ankereinheit zugeordneten und außerhalb des ersten Jochabschnitts dem Außenmantel radial außenseitlich benachbart gebildeten Luftspalte von der jeweiligen Ankereinheit zu dem jeweiligen der zweiten Jochabschnitte eine Mehrzahl von magnetischen Flussleitkreisen in der Jocheinheit entsteht,
wobei jeder der Flussleitkreise durch den ersten Jochabschnitt, den jeweiligen der zweiten Jochabschnitte, die jeweilige der Ankereinheiten sowie über den jeweiligen der Luftspalte verläuft und eine durch eine Stellposition und/oder eine Bewegung einer zugehörigen Ankereinheit bedingte Änderung des jeweiligen der Luftspalte eine Flussänderung in einem Flussleitkreis einer anderen der Ankereinheiten bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Jocheinheit Flussleitmittel aufweist, die so ausgebildet sind, dass deren magnetischer Flusswiderstand, insbesondere durch Ausbilden eines vorbestimmten maximalen wirksamen Flussquerschnitts, veränderlich ist, insbesondere oberhalb eines vom Flussquerschnitt bestimmten Schwellwertes ansteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem magnetisch leitenden Material realisierten Flussleitmittel eine der Anzahl der Ankereinheiten entsprechende Anzahl von Jochzweigen ausbilden, die an den ersten Jochabschnitt ansetzen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger der Jochzweige mit einer zugehörigen der Ankereinheiten einen von einer Stellposition der Ankereinheit beeinflussten Luftspalt der genannten Luftspalte ausbildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine Anschlagposition der Mehrzahl der Ankereinheiten jeweils eingerichteten Luftspalte eine voneinander verschiedene Abmessung, insbesondere einen unterschiedlichen wirksamen Luftspaltabstand, aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend Federmittel, wobei mindestens eine der Ankereinheiten gegen eine Rückstellkraft der Federmitteln gelagert oder geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf eine Mehrzahl der Ankereinheiten wirkende Rückstellkraft für mindestens zwei der Ankereinheiten unterschiedlich eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass die Jocheinheit und/oder der erste Jochabschnitt und/oder der zweite Jochabschnitt und/oder ein Flussleitabschnitt zwischen dem ersten und dem zweiten Jochabschnitt als Blechelement, insbesondere stapelfähiges Blechelement, und/oder als Schichtanordnung aus einer Mehrzahl von Blechelementen realisiert ist.
Verwendung der elektromagnetischen Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Realisierung eines Pneumatik- oder Hydraulikventils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.